Was bringt - LSW Heidelberg

Was bringt
Max Camenzind – Akademie HD – 2017
Mit Material aus einem Vortrag von Günther Rosner
Die GSI besteht seit 1969 und betreibt eine weltweit einzigartige
Beschleunigeranlage für Ionenstrahlen. Das Forschungsprogramm der
GSI umfasst ein breites wissenschaftliches Spektrum, das von Kern- und
Atomphysik über die Plasmaphysik bis hin zur Materialforschung reicht.
GSI – Bisherige Anlage
Ringbeschleuniger SIS18
Foto: A. Zschau, GSI Helmholtzzentrum
für Schwerionenforschung GmbH
Speicherring ESR
Der Experimentierspeicherring ESR hat einen Umfang von 108 Metern. Ionen, die zuvor im
Linearbeschleuniger UNILAC und im Ringbeschleuniger SIS18 beschleunigt wurden,
können im ESR mit hohen Geschwindigkeiten, das bedeutet mehrere Millionen Umläufe pro
Sekunde, gespeichert und zum Experimentieren genutzt werden. Durch so genannte Kühlung
der gespeicherten Ionen, können Experimente mit allerhöchster Präzision durchgeführt
werden. Durch den Einsatz des Fragmentseparators FRS können auch neue Teilchen, z.B.
neue Isotope, im ESR gespeichert und hochpräzise vermessen werden.
Erweiterung FAIR =
Facility for Antiproton and Ion Research
Baustart für Teilchenbeschleuniger in Darmstadt
Juli 2017
Das wohl größte und teuerste Bauprojekt, das Darmstadt auf lange
Sicht erleben wird, hat mit dem offiziellen Spatenstich begonnen:
Seit wenigen Tagen laufen die Tiefbauarbeiten für den
Teilchenbeschleuniger Fair im Norden der Stadt. Ein Verbund von
Forschungsgesellschaften aus neun Ländern lässt dort auf einem
rund 20 ha großen Gelände für fast 1,4 Mrd. Euro eine Anlage
errichten, die Atome nahezu auf Lichtgeschwindigkeit
beschleunigen kann.
Die dadurch möglichen Experimente sollen die Erforschung kleinster
Elementarteilchen voranbringen und Grundlagen sowohl für
Erkenntnisse über das Weltall als auch für die Materialforschung
liefern. Bis die Anlage 2022 teilweise und 2025 ganz in Betrieb
gehen kann, müssen rund 2 Mio. Kubikmeter Erde bewegt sowie
600.000 Kubikmeter Beton und 65.000 t Stahl verbaut werden.
Günther Rosner
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.12
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RHIC – Rel. Heavy Ion Collider
Protonen: bis zu 500 GeV / Goldionen: bis zu 200 GeV/Nukleon
Intersecting storage ring mit Umfang: 3834 m / p+p, p+Au, Au+Au, d+Au, …
FAIR-Beschleunigeranlage
FAIR-Beschleunigeranlage
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.12
FAIR-Herausforderungen
Grundlagenforschung
o Kern- und Teilchenphysik
o Astrophysik
o Atomphysik
o Plasmaphysik
p-Linac
SIS18
SIS100/300
Angewandte Forschung
o Materialwissenschaften
o Biophysik/Medizin
o Weltraumforschung
FAIR-Eigenschaften
o Derzeit größtest Projekt
der Kern- und Teilchenphysik
(> 1 Milliarde € Invest.mittel)
o Kompakte Bauweise durch
Ringbeschleuniger
o Millionenfache Nutzung
des Strahls in Speicherringen
Hochtechnologie-Entwicklung
o Effiziente, schnelle
Teilchenbeschleuniger
o Hochauflösende
Magnetspektrometer
o Empfindliche Licht- und TeilchenDetektoren
o Hochvakuum-Technologie
CR &
RESR o Schnelle elektronische
Datenerfassung
CryRing
o Energie-effiziente
NESR
Computertechnologie
100 m
HESR
Beschleuniger - Technologie
Kompakt & kosteneffektiv
Supraleitende Magnete
dB/dt ~ 4T/s
Schnelle Beschleunigung
Ferrit & MA Kavitäten
Großer Gradient, variable Frequenz
XHV @ Hoher Strahlintensität
Hochvakuum ~10-13 mbar
Hohe Strahlqualität
Elektronen & stochastische Kühlung
Skalen des Universums
Quarks
< 10-18 m
0,000.000.000.000.000.001 m
Atomkern
10-14 m
Nukleon
10-15 m
Atom
10-10 m
Kristall
10-9 m
DNA
10-8 m
Materie
10-1 m
0,000.000.000.000.01 m
0,000.000.000.1 m
0,000.000.01 m
1m
Sterne, Planeten
108 m
Galaxie
1021 m
100.000.000 m
1.000.000.000.000.000.000.000 m
Periodensystem Teilchenwelt
Es gibt einige Rätsel I
1) Vakuumenergie des Mikrokosmos unterscheidet
sich um ca. 10120 von der des Makrokosmos.
2) Unser Universum enthält nur Teilchen, keine
Antiteilchen.
3) Neutrinos sind nicht masselos.
4) Elementare Bausteine besitzen extrem
unterschiedliche Massen.
Es gibt einige Rätsel II
5) Quarks kommen nicht in freier Natur vor. Sie sind
in stark wechselwirkenden, nicht elementaren
Teilchen (Hadronen) zu zweit oder dritt eingesperrt.
Proton (p)
938 MeV/c2
u
d
Neutron (n)
939 MeV/c2
u
d
π140 MeV/c2
u
d
u
d
Baryonen
Mesonen
Es gibt einige Rätsel III
6) Normale (schwere) Materie (wir) besteht aus
fast masselosen „up“ und „down“ Quarks.
 99% der Masse des sichtbaren Universums ist
eigentlich Energie!
X
Quanten-Chromo-Dynamik
QED:
QCD:
Aufbau der (Quanten-)Materie
LHC @ CERN
RHIC
FAIR
FAIR-Experimente: PANDA
PANDA
PANDA =
Anti-Proton ANnihilation
@ DArmstadt
Exotische Hadronen
PANDA @ FAIR
Anti-Proton Annihilation @ DA
PANDA
Exotische Mesonen
QCD Gitterrechnungen
Schwere Energiebälle
• Exotische “Gluebälle”,
(Oddballs) mit für
normale Mesonen
verbotenen
Quantenzahlen
– m(2+-) = 4.140 GeV
– m(0+-) = 4.740 GeV
• Lange Lebensdauern
von QCDGitterrechnungen
vorhergesagt.
Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509
Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043
Glueball
Günther Rosner
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.12
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FAIR-Experimente: CBM
CBM
CBM =
Compressed
Baryonic Matter
Au + Au Kollision  QGP
Diagnostische Sonden der dichten Phase
Bisher keine Messung bei FAIR Energien
Phasendiagramm
stark wechselwirkender Materie
Quark-Gluonen-Plasma QGP
NStar
Mergers
Baryonendichte
Hohe Baryonendichte @ CBM
Kerndichte =
0,16 / fm³
Kernkräfte nur bekannt bis etwa zweifacher Kerndichte.
In Neutronensternen kommen Zentraldichten bis zu
8-facher Kerndichte vor.
Dichte in Atomkernen
arXiv:0904.4080
Zustandsgleichung in NSternen
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.12
arXiv:1707.04966
Die meisten EoS sind falsch!
?
?
Grafik: Camenzind
Zustandsgleichung NSterne
Neutron Fluid
zu steif
Interpolierte
Quark-Materie
gV:
Effektive
Repulsive
Quark-WW
arXiv:1707.04966
NSterne: Masse vs. Zentraldichte
Der typische Neutronenstern
enthält Neutronenflüssigkeit
arXiv:1707.04966
NStern: Masse-Radius Relation
Nur massereiche NSterne
enthalten QGP im Zentrum
arXiv:1707.04966
FAIR-Experimente: NuSTAR
SuperFRS
NuSTAR
NuSTAR =
Nuclear Structure,
Astrophysics,
& Reactions
FRS vs Super-FRS im Vergleich
FRS
Super-FRS
150m
Kernstück der NuSTAR
Anlage ist der supraleitende
Fragment Separator (SuperFRS), mit dessen Hilfe
exotische Kerne bis hin zu
Uran bei relativistischen
Energien produziert und
isotopenrein separiert werden
können. Da dieser Vorgang
nur wenige Hundert
Nanosekunden dauert,
ermöglicht er den Zugang zu
sehr kurzlebigen Kernen.
Nuklidkarte
Anzahl der Protonen
Elementsynthese in Sternen
Fe
Pfad der Elementsynthese in
Sternexplosionen (Supernova)
Anzahl der Neutronen
Elementsynthese NuSTAR
FAIR-Experimente: APPA
APPA
APPA =
Atomic,
Plasma Physics
& Applications
Plasmen
Temperature [eV]
Plasmen
Inertial
Fusion
Energy
Magnetic Fusion
XFEL
Sun Core
PHELIX
Laser
Heating
FLASH
SIS
100
Ion Beam
Heating
SIS 18
Jupiter
Sun Surface
solid state
density
Teilchen / cm3
Tests Quantenelektrodynamik
In wasserstoffähnlichen
Ionen steigt die
elektrische Feldstärke
mit der Kernladung.
Experimente an
schweren
hochgeladenen Ionen
eignen sich somit
besonders gut für
Präzisionstests der
Quantenelektrodynamik
in starken elektrischen
Feldern.
Starke elektromagnetische Felder
Laser
Schwerionen
entspricht
I ≥ 1028 W/cm2
(adapted from Mourou, Tajima, Bulanov, RMP 78, 2006)
10-15 s Pulse
10-21 s Pulse
Paritätsverletzung
e
e
Energy levels of He-like uranium
e
e
2E1 (PNC)

Z
N
N
N
N
Mischung zwischen Zuständen
entgegengesetzter Parität:

S GF / 2 2 QW  N  5 P
ES  E P
Kleine Energiedifferenz!
Nuklearmedizin
Kleinzelliges Lungenkarzinom
12C
Therapie
@ GSI
Adenoid-zystisches
Karzinom
Zeitlicher Ablauf
2017
2018
6 7 9
8
2019
10
2020
2021
11
6
Bauanträge
7
Baustelleneinrichtung
8
9
Ausschreibungen Bau
2022
2023
12
2024
Endausbau
Bau der Beschleuniger- und Detektorkomponenten
10 Fertigstellung Rohbau
11 Installation Beschleuniger und Detektoren
12 1. Datennahme
2025