status und perspektiven 2012 - Komitee für Hadronen- und Kernphysik

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status und perspektiven 2012 - Komitee für Hadronen- und Kernphysik

Hadronenund

Kernphysik

Status und Perspektiven

2012


Inhalt

Hadronen- und Kernphysik

Status und Perspektiven 2012

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 3

Hadronen- und Kernphysik in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 4

Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums . . . . . . . . . . . . . . Seite 8

Atomkerne – Bausteine unserer Welt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 12

Kerne und Sterne – die Entstehung der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 14

Hadronen, Kerne und fundamentale Symmetrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 16

Hadronen – starke Verbindungen der Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 18

Kernmaterie unter extremen Bedingungen – von der „Ursuppe“ zu Neutronensternen . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 20

Beschleuniger – Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 22

Instrumente der Hadronen- und Kernphysik – Hochtechnologie für Forschung und Anwendung . . . . . . . . . . Seite 24

FAIR – ein internationales Beschleunigerzentrum für die Grundlagenforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 26

Methoden der Hadronen- und Kernphysik in Wissenschaft, Medizin und Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 28

Ausbildung in der Hadronen- und Kernphysik

Wissenschaftlicher Nachwuchs für Forschung und Wirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 30


Vorwort

Auf der Suche nach einer Erklärung dafür, “was die Welt im Innersten

zusammenhält”, spielt die Hadronen- und Kernphysik eine

zentrale Rolle. Unter Hadronen versteht man alle Teilchen die aus

Quarks bestehen und durch die Starke Kraft gebunden sind, wie

zum Beispiel die Kernbausteine Proton und Neutron. Die Starke

Kraft ist neben der elektromagnetischen Kraft, der Schwachen

Kraft und der Gravitation eine der vier Grundkräfte der Natur.

Die Hadronen- und Kernphysik befasst sich also mit den fundamentalen

Kräften zwischen den elementaren Bausteinen der Materie.

Sie erforscht, wie sich Quarks und Gluonen zu Nukleonen

zusammensetzen und wie diese sich wiederum zu Atomkernen

vereinigen. In diesem Zusammenhang treten viele grundlegende

Fragen auf: Warum existieren die Quarks nicht isoliert? Warum ist

die Masse eines Nukleons um ein Vielfaches größer als die Masse

seiner Bausteine? Wo liegen die Grenzen der Stabilität der Atomkerne?

Ein wichtiges Forschungsgebiet innerhalb der Hadronen- und

Kernphysik befasst sich mit der zentralen Bedeutung der Starken

Kraft für die Entwicklung des Universums vom Urknall bis hin zur

Entstehung der schwersten Elemente. Von entscheidender Bedeutung

ist sie auch für die Struktur von Neutronensternen und

die Dynamik von Supernova-Explosionen. Hadronen- und Kernphysiker

suchen nach neuen Teilchen der Starken Wechselwirkung

und erforschen die Rolle von fundamentalen Symmetrien in

der Natur, wie der von Materie und Antimaterie.

Die Hadronen- und Kernphysik erlebte in den letzten zwei Jahrzehnten

eine Renaissance, die ganz wesentlich auf den Forschritten

der Beschleuniger- und Experimentiertechnik sowie auf dem

verstärkten Einsatz von Hochleistungsrechnern beruht. Dadurch

wurden Präzision, Empfindlichkeit und Signifikanz der gewonnen

Daten dramatisch verbessert. Dies hat auch dazu beigetragen,

Querverbindungen zur Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik

herzustellen und zu vertiefen.

Eine tragende Rolle spielt hierbei der hochqualifizierte naturwissenschaftlich-technische

Nachwuchs, der seine Ausbildung im

Rahmen der Grundlagenforschung erhält.

Deutschland gehört zu den führenden Nationen in der Hadronen-

und Kernphysik. Dies spiegelt sich in hervorragenden, zum

Teil einzigartigen Forschungsanlagen wider, an denen Wissenschaftler,

Ingenieure und Techniker zusammenarbeiten. Das im

Bau befindliche internationale Beschleunigerzentrum „Facility for

Antiproton and Ion Research“ (FAIR) in Darmstadt wird weltweit

eine Spitzenstellung in der Hadronen- und Kernphysikforschung

einnehmen und zur Stärkung des Wissenschafts- und Technologiestandorts

Deutschland beitragen.

Im Jahre 2000 wurde auf Anregung des Bundesministeriums

für Bildung und Forschung (BMBF) das Komitee für Hadronen

und Kerne (KHuK) als Interessensvertretung und Sprachrohr der

Community gegründet. Dem KHuK gehören für eine Amtszeit

von jeweils zwei Jahren zwölf Mitglieder an, die verschiedene

Forschungsgebiete und Gremien repräsentieren. Eine zentrale

Aufgabe des KHuK ist die Organisation eines kohärenten und

konstruktiven Diskussionsprozesses zu Status und Perspektiven

der Hadronen- und Kernphysik in Deutschland. Daraus ergeben

sich Empfehlungen an die Politik hinsichtlich der zukünftigen

Forschungs- und Förderungsschwerpunkte des Gebietes. Die

vorliegende Broschüre dokumentiert die im Dezember 2010 verabschiedeten

Empfehlungen zusammen mit einer allgemeinverständlichen

Darstellung der Forschungsschwerpunkte und der

grundlegenden Fragestellungen der Hadronen- und Kernphysik.

Oktober 2011

Komitee für Hadronen und Kerne (KHuK)

Die im Rahmen der Hadronen- und Kernphysikforschung entwickelten

experimentellen Methoden finden eine breite Palette von

Anwendungen in Medizin, Technik und anderen Wissenschaftsgebieten.

Viele Entwicklungen in der Beschleuniger- und Detektortechnologie,

Mikroelektronik und im „High Performance Computing“

erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der Industrie und

sorgen somit für einen unmittelbaren Technologietransfer von

der Forschung zur Anwendung.

Status und Perspektiven 2012

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Hadronen- und Kernphysik

in Deutschland

Definition des Arbeitsgebietes

Die Hadronen- und Kernphysik sucht nach einem grundlegenden

und quantitativen Verständnis der Atomkerne und ihrer Bausteine,

der Protonen und Neutronen. Letztere sind wie alle Hadronen

aus Quarks und Gluonen aufgebaut, die als die elementaren Bausteine

der Materie angesehen werden.

Die Faszination, die von diesem Forschungsgebiet ausgeht, beruht

auf der Vielzahl von Phänomenen, welche die Starke Kraft

verursacht. Verblüffend ist zum Beispiel die große Vielfalt von

stabilen und instabilen Atomkernen. Ebenso überraschend ist die

Tatsache, dass sich Quarks und Gluonen offenbar nicht als freie

Teilchen beobachten lassen, sondern im Innern der Hadronen

eingeschlossen sind (Confinement).

Eine der zentralen Aufgaben der Hadronenphysik besteht darin,

die innere Struktur der Hadronen aufzuklären. Hierbei besteht

eine enge Verzahnung zwischen Experimenten und theoretischen

Beschreibungen mit dem gemeinsamen Ziel, die effektiven

Eigenschaften der Hadronen aus den elementaren Eigenschaften

der Quarks und Gluonen und ihrer Wechselwirkung abzuleiten.

Die Kernphysik untersucht den Aufbau der Atomkerne. Diese werden

vor allem im Innern von Sternen synthetisiert und bestimmen

die Masse der sichtbaren Materie im Universum. Das detaillierte

Studium der Kernkräfte führt zu Erkenntnissen über astrophysikalische

Abläufe wie die Elementsynthese im Universum und die

Struktur von Neutronensternen.

Die Hadronen- und Kernphysik umfasst daher alle Aspekte stark

wechselwirkender, zusammengesetzter Teilchensysteme. Mit

den beschriebenen Schwerpunkten hat das Gebiet im letzten

Jahrzehnt eine signifikante und faszinierende Neuorientierung erfahren.

Dies spiegelt sich weltweit in neuen Forschungsprojekten

und in dem Bau wirkungsvoller und von innovativen technischen

Konzepten getragenen Beschleunigeranlagen wider.

Die Community

Die deutsche Hadronen- und Kernphysik hat historisch eine der

Führungsrollen in diesem Forschungsgebiet inne. Sie ist motiviert

und wissenschaftlich optimal positioniert, auch in Zukunft eine

zentrale Rolle zu spielen.

Hierzulande wird das Gebiet gegenwärtig von etwa 180 Professuren

an mehr als 20 Hochschulen vertreten. Darüber hinaus bildet

die Hadronen- und Kernphysik an neun außeruniversitären

Forschungseinrichtungen entweder das Hauptforschungsgebiet

oder einen wesentlichen Schwerpunkt. Den Wissenschaftlern

stehen sowohl an den Universitäten als auch an den nationalen

Forschungszentren hervorragende, zum Teil einzigartige Forschungsmöglichkeiten

zur Verfügung. Zusammen mit der Beteiligung

an großen internationalen Projekten wie am CERN haben

sie den Grundstein für die herausragende Rolle Deutschlands in

der Hadronen- und Kernphysik gelegt. Damit verknüpft ist die

an vorderster Front der Forschung wie auch vieler technischer

Neuentwicklungen orientierte Ausbildung des wissenschaftlichtechnischen

Nachwuchses.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ist

zusammen mit den zuständigen Länderministerien der wesentliche

Träger der Hadronen- und Kernphysik. Gemeinsam mit den

Ländern finanziert das BMBF insbesondere die großen Beschleunigeranlagen

und Großexperimente der Forschungszentren mit

ihren in vielen Aspekten einmaligen Experimentiermöglichkeiten.

Darüber hinaus vergeben die Verbundforschung des BMBF und

die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in erheblichem

Umfang Projektmittel an wissenschaftliche Arbeitsgruppen sowie

Fördermittel für universitäre Forschungsanlagen.

4 Status und Perspektiven 2012


Hadronen- und Kernphysik in Deutschland

Das KHuK

Zur Koordinierung der zukunftsweisenden Aktivitäten der Hadronen-

und Kernphysik in Deutschland einerseits und zur effektiven

Einbindung in die zukünftige internationale Forschungslandschaft

andererseits hat das BMBF im Jahr 2000 das Komitee für

Hadronen- und Kernphysik (KHuK) initiiert. Wenig später wurde

das KHuK durch eine allgemeine Wahl innerhalb der Community

konstituiert. Neben den acht gewählten Mitgliedern gehören

dem KHuK vier Mitglieder kraft Amtes an, die Vertreter anderer

für das Gebiet wichtiger nationaler (Verbundforschung des BMBF,

DFG, Deutsche Physikalische Gesellschaft – DPG) und europäischer

Gremien (Nuclear Physics European Collaboration Committee

– NuPECC) sind. Die aktuelle Mitgliederliste findet sich am

Ende dieses Abschnitts.

Das KHuK hat es als eine der ersten und vordringlichsten Aufgaben

den Status der Hadronen- und Kernphysik erhoben, daraufhin

Perspektiven für die längerfristige Zukunft diskutiert und

auf dieser Basis Empfehlungen für die künftige Entwicklung und

Stärkung des Gebiets und der Community ausgesprochen. Die

Empfehlungen des Komitees finden Eingang in die europäischen

Strategiepapiere der Hadronen- und Kernphysik (zuletzt in den

NuPECC Long Range Plan 2010: Perspectives of Nuclear Physics in

Europe). Darüber hinaus berät das Komitee das BMBF bei förderpolitischen

Entscheidungen.

Liste der KHuK-Mitglieder 2010–2012:

Gewählte Mitglieder:

Mitglieder Kraft Amtes:

Reinhard Beck

(Universität Bonn)

Klaus Blaum

(MPI Kernphysik Heidelberg)

Carsten Greiner

(Universität Frankfurt)

Matthias Lutz

(GSI Darmstadt)

Ulrich Ratzinger

(Universität Frankfurt)

James Ritman

(FZ Jülich/Universität Bochum)

Vorsitzender BMBF-Gutachterausschuss

und DFG-Fachkollegium

Jochen Wambach

(Technische Universität Darmstadt)

Vertreter von NuPECC

Johannes Wessels

(Universität Münster)

Vorsitzender DPG-Fachverband Hadronen und Kerne

James Ritman, stellv. Vorsitzender

(FZ Jülich/Universität Bochum)

Peter Senger, Vorsitzender

(GSI Darmstadt/Universität Frankfurt)

Thomas Stöhlker

(GSI Darmstadt/Universität Jena)

Status und Perspektiven 2012

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Hadronen- und Kernphysik in Deutschland

Empfehlungen des KHuK zur Hadronen- und Kernphysik

Der wissenschaftliche Fortschritt der Grundlagenforschung wurde

in der Vergangenheit und wird auch in Zukunft ganz wesentlich

durch neue Experimentiermöglichkeiten vorangetrieben.

Dies gilt insbesondere für die Hadronen- und Kernphysik, deren

Erfolge auf innovativen technologischen Entwicklungen in den

Bereichen Beschleuniger, Spektrometer, Detektoren und Datenverarbeitung

basieren. Die Beantwortung der fundamentalen

Fragen in der Hadronen- und Kernphysik – mit all ihren faszinierenden

Implikationen für unser Verständnis der Materie auf der

Erde, in Sternen bis hin zur Evolution des Universums – erfordert

eine neue Generation von Beschleuniger- und Experimentieranlagen.

Der theoretischen Kern- und Hadronenphysik kommt die

wichtige Aufgabe zu, die wesentlichen Fragestellungen des Feldes

zu erarbeiten sowie die Experimente zu begleiten und ihre Ergebnisse

zu interpretieren. Eine entscheidende Voraussetzung für

exzellente Forschung sind hochqualifizierte Wissenschaftlerinnen

und Wissenschaftler, deren Ausbildung und berufliche Perspektive

gewährleistet sein muss.

Das KHuK empfiehlt mit höchster Priorität den

vollständigen Ausbau der „Facility for Antiproton

and Ion Research“ (FAIR).

Das geplante Beschleunigerzentrum FAIR bietet weltweit einmalige

Forschungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Hadronen- und

Kernphysik. Mit über 2000 beteiligten Wissenschaftlern wird FAIR

die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit stärken

und wichtige Impulse für interdisziplinäre Forschung geben. Der

Bau der FAIR-Startversion und der Beginn des Physikprogramms

sind von höchster Dringlichkeit und müssen ohne weitere Verzögerungen

in Angriff genommen werden. Das Ziel muss die

zügige Verwirklichung der kompletten Anlage sein. Gleichzeitig

muss sichergestellt werden, dass während der Bauphase von FAIR

die an den beteiligten Forschungsinstituten betriebene Spitzenforschung

weitergeführt werden kann. Dies schließt eine ausgewogene

Förderung der für FAIR relevanten Theorieaktivitäten ein.

International beachtete Präzisionsexperimente mit elektromagnetischen

Sonden verbinden sich in idealer Weise mit theoretischen

Untersuchungen zur Struktur und Spektroskopie von Hadronen

und Kernen. Eine gesicherte Finanzierung dieser Forschung ist

dringend erforderlich. Sie ist die Basis für ein quantitatives Verständnis

der starken Wechselwirkung und bildet die Grundlage

für Untersuchungen zur Realisierbarkeit einer zukünftigen Elektronenmaschine.

Das KHuK empfiehlt dringend eine Initiative zur

Sicherung des wissenschaftlichen Nachwuchses.

Die zukünftige Rolle Deutschlands als Technologie- und Wissenschaftsstandort

– mit den daraus resultierenden Folgen für die

Konkurrenzfähigkeit der deutschen Wirtschaft – hängt entscheidend

von den Investitionen in den Bildungs- und Forschungssektor

ab. Die Hadronen- und Kernphysik bietet ideale Bedingungen

für eine exzellente Ausbildung, wobei insbesondere die universitären

Forschungsinstitute eine sehr wichtige Rolle spielen. Der

Erfolg von Forschungsanlagen wie FAIR beruht wesentlich auf

dem Engagement hoch motivierter und hoch qualifizierter

Nachwuchskräfte. Das KHuK sieht mit großer Sorge, dass dem

wissenschaftlichen und technischen Nachwuchs in Deutschland

aufgrund der Stellenknappheit an Universitäten und Forschungszentren

keine berufliche Perspektive geboten werden kann. Das

KHuK empfiehlt daher dringend eine bundesweite Initiative mit

dem Ziel, hochtechnologische Spitzenforschung personell abzusichern.

Das KHuK empfiehlt mit Nachdruck die Förderung

existierender Experimentieranlagen zur

Erforschung der Struktur der Materie und ihr

Verhalten unter extremen Bedingungen.

Die Erzeugung und Untersuchung von Materie mit bisher im

Labor unerreichten Energiedichten ist das Ziel des Schwerionenprogramms

am LHC. Diese Messungen haben ein hohes

Entdeckungspotenzial und erfordern kontinuierliche finanzielle

Zuwendungen. Ebenfalls muss der Betrieb der mit signifikanter

deutscher Beteiligung am CERN aufgebauten Experimente zur

Kern- und Hadronenphysik finanziell unterstützt werden.

6 Status und Perspektiven 2012


Hadronen- und Kernphysik in Deutschland

Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik in Deutschland:

COSY, Cooler Synchrotron

Polarisierte, gekühlte Protonen- und Deuteronenstrahlen

Forschungszentrum Jülich

http://www2.fz-juelich.de/ikp/cosy/de

Universitäten mit Forschungsaktivitäten auf dem

Gebiet der Hadronenund Kernphysik:

ELBE, Supraleitender Elektronen-Linearbschleuniger

Helmholtzzentrum Dresden-Rossendorf

http://www.hzdr.de

ELSA, Elektronen-Stretcher-Anlage

Polarisierte Elektronen- und Photonenstrahlen

Universität Bonn

http://www-elsa.physik.uni-bonn.de

FRM-II, Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz

Neutronenstrahlen

Technische Universität München

http://www.frm2.tum.de

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt:

UNILAC: Universal Linear Accelerator

SIS: Schwerionen-Synchrotron

ESR: Experimentier-Speicherring

Gekühlte Ionenstrahlen aller Elemente bis Uran,

radioaktive Sekundärstrahlen, Pionenstrahlen

http://www.gsi.de

• Berlin

• Bochum

• Darmstadt

• Erlangen

• Freiburg

• Greifswald

• Jena

• Köln

• München LMU

• Münster

• Rostock

• Wuppertal

• Bielefeld

• Bonn

• Dresden

• Frankfurt

• Giessen

• Heidelberg (U + MPI)

• Karlsruhe IT

• Mainz

• München TU

• Regensburg

• Tübingen

MAMI, Mainz Mikrotron

Polarisierte Elektronen- und Photonenstrahlen

Universität Mainz

http://www.kph.uni-mainz.de

S-Dalinac, Superconducting Darmstadt Linac Accelerator

Elektronen- und Photonenstrahlen

Technische Universität Darmstadt

http://www.ikp.tu-darmstadt.de

TRIGA Mark II, Forschungsreaktor mit Pulsfunktion

Gepulste Neutronenstrahlen

Universität Mainz

http://www.kernchemie.uni-mainz.de/234.php

Internationale Großexperimente mit signifikanter

deutscher Beteiligung:

ALICE, A Large Ion Collider Experiment

Stark wechselwirkende Materie unter extremen

Eigenschaften (Quark-Gluon-Plasma) CERN-LHC

http://aliceinfo.cern.ch

COMPASS, Common Muon and Proton Apparatus

for Structure and Spectroscopy

Struktur und Spektroskopie von Hadronen

CERN-SPS

http://wwwcompass.cern.ch

ISOLDE

Radioaktive Strahlen

CERN

http://www.cern.ch/isolde

Status und Perspektiven 2012

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Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der

Materie und die Entwicklung des Universums

Der Aufbau der Materie

Die uns bekannte normale Materie, aus der alle Sterne und Planeten

und wir Menschen bestehen, ist aus nur drei Teilchenarten aufgebaut:

den positiv geladenen Protonen, den elektrisch neutralen

Neutronen und den negativ geladenen Elektronen. Seit etwa 30

Jahren wissen wir dass die Protonen und Neutronen, auch Nukleonen

genannt, selbst wiederum eine innere Struktur besitzen und

aus elementaren Teilchen, den Quarks, zusammengesetzt sind.

Die Nukleonen sind die Bausteine der Atomkerne, in denen fast die

gesamte Masse der Materie konzentriert ist. Die Elektronen bilden

die Atomhülle und sind verantwortlich für die chemische Bindung

und die daraus resultierenden komplexen Strukturen der lebenden

wie leblosen Materie. Diese Materie erweist sich als Hierarchie

unterschiedlich zusammengesetzter Systeme, die in ihren Dimensionen

fast 40 Größenordnungen überspannen: von Galaxien über

die Dinge unserer täglichen Umgebung bis hin zu den elementaren

Bausteinen, den Quarks und Elektronen (siehe Abbildung 1).

In den verschiedenen Hierarchien der Materie bewirken unterschiedliche

Bindungskräfte den Zusammenhalt des jeweiligen

Systems. Während im Makrokosmos die Gravitation dominiert,

ist im Bereich der Atome die elektromagnetische Anziehung zwischen

den negativen Elektronen und den positiven Atomkernen

die stabilisierende Kraft. Die Atomkerne wiederum werden durch

die so genannte Starke Kraft zusammengehalten, die zwischen

den Nukleonen wirkt, aber auch zwischen den Quarks im Nukleon.

Es gibt eine weitere fundamentale Kraft, die so genannte

Schwache Wechselwirkung. Diese bewirkt den radioaktiven Betazerfall

der Atomkerne und ermöglicht die Kernfusion als Energiequelle

der Sterne und damit auch unserer Sonne.

Wir sind heute noch weit davon entfernt, die komplexen Eigenschaften

der Materie und ihre vielfältigen Erscheinungsformen

beschreiben zu können. Ein Grund liegt darin, dass wir die Kräfte

und die ihnen innewohnenden Symmetrien noch zu wenig verstehen.

Dies gilt insbesondere für die Starke Kraft, die uns noch

viele Rätsel aufgibt. Die Starke Kraft zwischen den Quarks wird

durch so genannte Gluonen vermittelt. Quarks und Gluonen gehen

eine extrem starke Wechselwirkung miteinander ein, und das

hat erstaunliche Konsequenzen. Je größer der Abstand zwischen

den Quarks ist, desto stärker wird die Kraft zwischen ihnen, so

dass sie untrennbar verbunden sind. Quarks treten niemals isoliert

auf. Im Innern der Nukleonen sind sie als Dreiergruppen gefangen

(Physiker sprechen von Confinement). Die Gluonen sind masselos.

Aber auch die Masse der Quarks trägt nur weniger als zwei Prozent

zur Nukleonenmasse bei. Erstaunlicherweise steckt der größte

Teil der Masse der Nukleonen und damit der Atomkerne und

der Materie insgesamt in der Bewegungsenergie der Quarks und

in der Energie des Gluonenfeldes das die Quarks zusammenhält.

Abbildung 1: Aufbau der Materie

In der kosmischen Strahlung und in Laborexperimenten mit Beschleunigern

wurden weitere – allerdings sehr kurzlebige – Teilchen

entdeckt, die entweder aus drei schweren Quarks oder aus

Quark-Antiquark-Paaren aufgebaut sind. Heute kennt man sechs

verschiedene Quarkfamilien, die sich sehr stark in ihrer Masse

unterscheiden. Die leichten Quarks – aus denen die Nukleonen

bestehen – besitzen eine Masse von nur etwa 1% eines Nukleons,

während das schwerste Quark fast die 200-fache Masse eines Nukleons

hat. Alle aus Quarks bzw. Quarks und Antiquarks zusammengesetzten

Teilchen werden als Hadronen bezeichnet.

8 Status und Perspektiven 2012


Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums

Die Entwicklung des Universums

Nach unserem heutigen Verständnis bestand das heiße Universum

kurz nach dem Urknall aus Elementarteilchen wie Quarks

und Antiquarks, Gluonen, Elektronen und Photonen (Abbildung 2).

Das Universum expandierte und kühlte sich ab, sodass bereits

etwa eine Millionstel Sekunde nach dem Urknall die Quarks und

Gluonen zu Nukleonen verschmolzen: Es fand ein Phasenübergang

statt, ähnlich der Kondensation von Dampf zu Wasser.

Ein noch ungelöstes Rätsel ist, warum sich die im Urknall zu gleichen

Teilen erzeugte Materie und Antimaterie nicht vollständig

wieder vernichtet hat und ein kleiner Rest Materie übrig geblieben

ist. Etwa drei Minuten nach dem Urknall war die Temperatur

so weit gesunken, dass sich Protonen und Neutronen zu leichten

Kernen vereinigten, die später Elektronen einfingen und elektrisch

neutrale Atome bildeten. Nach einigen hundert Millionen

Jahren ballten sich die aus leichten Atomen bestehenden gewaltigen

Gaswolken unter dem Einfluss der Gravitation zusammen

und formten die ersten Sterne. Im Zentrum der Sterne setzten nukleare

Fusionsprozesse ein, in denen schwerere Atomkerne gebildet

und große Energiemengen freigesetzt wurden, wie heute in

unserer Sonne. Die schwersten Elemente wurden durch Kernreaktionen

in gewaltigen Supernova-Explosionen sehr massereicher

Sterne gebildet und ins Weltall geschleudert. Überreste dieser

katastrophalen Ereignisse sind entweder Neutronensterne oder

Schwarze Löcher.

Die Hadronen- und Kernphysikforschung hat wesentlich zu unserem

heutigen Wissen über die Struktur der Materie und die Entwicklung

des Universums beigetragen. Dennoch sind wichtige

Fragen noch ungeklärt. Sie werden im Folgenden angerissen.

Fragestellungen der modernen Hadronen- und

Kernphysik

Schwerpunkt der Hadronenphysik ist die Erforschung der inneren

Struktur der Hadronen (Nukleonen) und der zwischen ihnen

wirkenden Kräfte. Die Kernphysik untersucht wie sich Nukleonen

wiederum zu Atomkernen verbinden und welche Eigenschaften

diese besitzen. Ein gemeinsames Ziel der Hadronen- und Kernphysik

ist es zu verstehen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen

den Nukleonen im Kern einerseits mit der Starken Kraft

zwischen Quarks und Gluonen andererseits zusammenhängt. In

den Bereich der Hadronen- und Kernphysik fällt auch die Untersuchung

der Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie

unter extremen Bedingungen.

Ein wichtiger Fragenkomplex betrifft die Quark-Gluon-Struktur

der Hadronen und die damit verbundene Frage, warum Hadronen

so viel schwerer sind als ihre Bestandteile. Eine in der Teilchenphysik

einzigartige Eigenschaft ist die „Gefangenschaft“ der

Quarks (Confinement) im Innern der Nukleonen. Daraus ergibt

sich die Frage, warum sich keine isolierten Quarks beobachten

lassen? Gibt es vielleicht exotische Hadronen, die aus mehr als drei

Quarks oder nur aus Gluonen bestehen? Interessant ist auch die

Frage, wie Quarks und Gluonen zum Eigendrehimpuls des Protons

beitragen.

Von fundamentaler physikalischer und kosmologischer Bedeutung

ist der eingangs erwähnte Phasenübergang im frühen Universum,

als Quarks und Gluonen zu Nukleonen kondensierten.

(Abbildung 2). Kurz nach dem Urknall existierte die Materie vermutlich

als sehr heißes Quark-Gluon-Plasma, in dem das Confinement

aufgehoben war und Quarks fast keine Masse besaßen.

Eine heutige zentrale Fragestellung ist: Lässt sich ein solches Plasma

im Labor herstellen und untersuchen? Welche Eigenschaften

hat diese Form stark wechselwirkender Materie? Kann man einen

Phasenübergang ähnlich dem im frühen Universum auch in Kollisionen

schwerer Atomkerne beobachten? Gibt es vielleicht sogar

noch weitere exotische Phasen von Kernmaterie?

Abbildung 2: Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute.

Die räumliche Expansion des Universums ging einher mit einer

Abkühlung und einer zunehmenden Strukturbildung.

Status und Perspektiven 2012

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Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums

Die Vielfalt der Atomkerne entsteht noch heute durch Kernreaktionen

im Innern von Sternen oder in Sternexplosionen (Supernovae).

Welche Kernreaktionen an dieser Nukleosynthese beteiligt

sind und welche Rolle die instabilen Kerne dabei spielen, ist Gegenstand

aktueller Forschung. Eine ungeklärte Frage in diesem

Zusammenhang ist, wo die Grenze der Stabilität für Atomkerne

liegt, und ob es auch superschwere Elemente gibt.

Wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens als Supernova

explodiert, bleibt häufig ein extrem kompakter Neutronenstern übrig.

Der zeitliche Ablauf einer Supernova und die inneren Eigenschaften

des entstehenden Neutronensterns hängen vom Verhalten

der Kernmaterie in Abhängigkeit von Druck und Temperatur ab.

Physiker sprechen hier von der nuklearen Zustandsgleichung. Die

Eigenschaften hoch komprimierter Kernmaterie, wie sie im Zentrum

von Neutronensternen vorkommt, sind noch weitgehend

unbekannt. Die nukleare Zustandsgleichung definiert auch die

Eigenschaften der heißen Kernmaterie kurz nach dem Urknall.

Wie beeinflusste diese die Entwicklung des Universums, und wie

entstanden aus nahezu masselosen Quarks die massiven Nukleonen?

Ein wichtiges Ziel ist auch die Erklärung von Symmetrieverletzungen.

Eine fundamentale und noch unverstandene Symmetrieverletzung

ist die Ursache unserer Existenz: Warum haben sich nach

dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig vernichtet?

Die hochpräzise Messung von Symmetrieverletzungen ist ein

vielversprechender Ansatz zur Suche nach neuen physikalischen

Gesetzmäßigkeiten jenseits des Standardmodels der Teilchenphysik.

Hadronen und Kerne bieten als „Mikrolaboratorien“, die

von äußeren Einflüssen weitgehend ungestört sind, die einzigartige

Möglichkeit solche Präzisionsmessungen durchzuführen.

All diese Fragenstellungen werden in Experimenten an Teilchenbeschleunigern

des CERN, an der GSI, am FZ Jülich und an verschiedenen

Universitäten mit Elektronen, Protonen, Antiprotonen

oder Schwerionen untersucht.

Wissenschaftlicher Fortschritt erfordert neben neuen experimentellen

Ergebnissen auch neue theoretische Erkenntnisse, die zunehmend

mithilfe modernster Computertechnologie gewonnen

werden. Neben den existierenden Forschungseinrichtungen wird

vor allem die zukünftige Anlage FAIR mit ihrer breiten Palette an

intensiven Teilchenstrahlen, neuartigen Experimentiereinrichtungen

und einem energieeffizienten Hochleistungs-Rechenzentrum

neue exzellente Forschungsmöglichkeiten auch auf dem

Gebiet der Hadronen- und Kernphysik bieten. Die im Rahmen von

FAIR in vielen Bereichen entwickelte Hochtechnologie bildet die

Grundlage für zukünftige Spitzenforschung und für Anwendungen

in Industrie und Technik.

10 Status und Perspektiven 2012


Quarks, Hadronen, Kerne – die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums

Status und Perspektiven 2012

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Atomkerne

– Bausteine unserer Welt

Die Starke Kraft bindet die Quarks zu Protonen und Neutronen,

und fügt diese Nukleonen zu Atomkernen zusammen. Im Zusammenspiel

mit der elektromagnetischen und der Schwachen Kraft

bestimmt sie die Anzahl der möglichen Kernarten. Sie legt auch

fest, wie viele Protonen- und Neutronen in einem Kern vereint sein

können und wie viele Protonen er maximal enthalten kann. Diese

Zahl, auch Kernladungszahl genannt, definiert das jeweilige chemische

Element. Darüber hinaus bestimmen diese Kräfte die detaillierte

Struktur der Kerne. Dazu zählen Eigenschaften wie Masse

und Stabilität gegenüber radioaktivem Zerfall oder Lebensdauer.

Sie legen auch fest, auf welche Weise die Atomkerne kurz nach

dem Urknall oder später im Innern der Sterne gebildet wurden.

Insofern ist die Struktur der Kerne ein wichtiger Schlüssel zum

Verständnis der uns umgebenden Materie, insbesondere der natürlich

vorkommenden chemischen Elemente und Isotope, aus

denen alle uns umgebenden Materialien und auch wir Menschen

bestehen. Auf der Erde finden wir 92 chemische Elemente und

etwa 300 verschiedene stabile Atomkerne. Darüber hinaus hat

man in Laborversuchen und an Teilchenbeschleunigern mehr

als 2500 weitere instabile Kerne synthetisiert und untersucht. Vermutlich

kann es insgesamt mehr als 6000 verschiedene Isotope

geben, die überwiegend instabil sind.

In der Nuklidkarte (Seite 15, Abbildung 1) sind alle Kerne, geordnet

nach der Zahl der Protonen und Neutronen, aufgetragen. Die

schwarzen Symbole zeigen die wohlbekannten stabilen Kerne,

die gelben die bereits synthetisierten instabilen Kerne, von denen

zumindest einige Eigenschaften bekannt sind. Der grüne Bereich

kennzeichnet die Region der bisher noch unbekannten Kerne, deren

Existenz nach heutigem Wissen erwartet wird. Ein Vorstoß in diese

Terra Incognita verspricht sowohl für unser Verständnis der Kerne

selber wie auch für die Erforschung der Entstehungsprozesse der

Elemente in Sternen neue Erkenntnisse. Letztlich haben die Eigenschaften

von Kernen Einfluss auf die Entwicklung von Sternen.

Die Grenzen der Stabilität von Kernen

In den stabilen Kernen stehen die Protonen und Neutronen in

einem bestimmten, etwa ausgeglichenen Verhältnis zueinander.

Fügt man zu einem gegebenen Kern entweder nur Neutronen

oder nur Protonen hinzu und überschreitet dabei einen Grenzwert,

so kann das letzte Nukleon nicht mehr gebunden werden,

und der Kern zerfällt spontan unter Aussendung von Neutronen

oder Protonen. Diese Grenzlinien im Isotopendiagramm, innerhalb

derer Kerne existieren können, werden Protonen- beziehungsweise

Neutronenabbruchkante (Dripline) genannt. Für

Kerne in der Nähe der Abbruchkante wurden neue und bislang

unbekannte Eigenschaften beobachtet und weitere werden vorausgesagt.

Solche Kerne ermöglichen zum Beispiel über die Messung

ihrer bloßen Existenz, ihrer Massen oder ihres Zerfalls einen

kritischen Test der besten heutigen Kernmodelle.

Aktuelle Themen der Forschung umfassen unter anderem die

exakte Lage der Protonen- und Neutronenabbruchkante, das Verhalten

von sehr neutronen- oder protonenreichen Kernen und

die Synthese superschwerer Elemente.

Exotische Kerne: Nukleonenhalos und

Nukleonenhäute

Die Größe von Atomkernen lässt sich recht gut im Rahmen des alten

Tropfenmodells verstehen, in dem bestimmte Eigenschaften

eines Atomkerns ähnlich denen eines Wassertropfens beschrieben

werden. Hierin sollte der Radius der Kerne etwa mit der dritten

Wurzel der Nukleonenzahl zunehmen.

Dieses Bild stößt jedoch für Kerne mit großem Neutronen- oder

Protonenüberschuss an seine Grenzen. So wurde für leichte, sehr

neutronenreiche Kerne die Bildung eines Neutronenhalos beobachtet.

Das heißt, ein oder zwei Neutronen halten sich in einem

weiten Außenbezirk des Kerns auf. Aufgrund dieses Effekts bläht

sich zum Beispiel Lithium-11 (mit drei Protonen und acht Neutronen,

Abbildung 2) auf die Größe des wesentlich schwereren Kerns

von Kalzium-48 (mit 20 Protonen und 28 Neutronen) auf. Man

spricht hier von Halo-Kernen. Für schwerere neutronenreiche

Kerne, wie Zinn-132, erwartet man die Bildung von dicken Neutronenhäuten

(engl. neutron skin), bei denen sich mehrere Neutronen

in einem großen Abstand vom Zentrum des Kerns aufhalten.

Im Mittelpunkt moderner Forschung stehen Fragen nach der

Verteilung der Nukleonen in solchen Kernen und mögliche

Korrelationen zwischen den äußeren Nukleonen.

12 Status und Perspektiven 2012


Atomkerne – Bausteine unserer Welt

Auch die Wechselwirkung der innen befindlichen Kern-Nukleonen

mit den äußeren Halo- beziehungsweise Skin-Nukleonen muss

weiter erforscht werden.

In Laborexperimenten und an Beschleunigern ist es gelungen,

jenseits der natürlich vorkommenden 92 Elemente weitere Elemente

zu synthetisieren. Neben den bereits bestätigten und

anerkannten Elementen bis zur Protonenzahl 112 gibt es Berichte

über den Nachweis noch schwererer Elemente bis zur Protonenzahl

118.

Diese superschweren Elemente sind aber instabil und zerfallen

großteils nach sehr kurzer Zeit. Theoretische Rechnungen, die auf

dem Schalenmodell des Atomkerns aufbauen, sagen aber eine Insel

erhöhter Stabilität im Bereich der Ordnungszahl 114 bis 126 und

der Neutronenzahl 184 voraus. Die gemessenen Eigenschaften der

neuen Kerne mit Ordnungszahlen in diesem Bereich unterstützen

das Bild eines Bereichs erhöhter Stabilität. Dessen genaue Lage

und Ausdehnung ist allerdings immer noch unbekannt.

Abbildung 1: Der leichte, neutronenreiche Kern Lithium-11 ist außergewöhnlich

groß. Die Wissenschaftler führen dies darauf zurück, dass sich

in diesem Kern ein weit ausgedehnter Halo aus zwei Neutronen um einen

Lithium-9-Kern bewegt.

Doppeltmagische Kerne und Schalenstruktur

weitab der Stabilität

Es gibt Atomkerne, die sich durch eine besondere Stabilität auszeichnen.

Diese besitzen 2, 8, 20, 50, 82 oder 126 Neutronen oder

Protonen (Diese Werte sind für Neutronen und Protonen gleich).

Diese erstaunliche Beobachtung lässt sich nicht mehr im einfachen

Tröpfchenmodell erklären. Hierfür ist das modernere Schalenmodell

nötig. Das ähnelt in gewisser Weise dem Modell der

Elektronenschalen, die den Kern umgeben. Demnach ordnen sich

Protonen und Neutronen im Kern in Schalen an, bei deren Abschluss

besonders stabile Konfigurationen – die magischen Zahlen

– erreicht werden. Das entspricht etwa den abgeschlossenen

Elektronenschalen in Edelgasatomen.

Es gibt nur fünf stabile Kerne, bei denen sowohl eine Protonen- als

auch eine Neutronenschale abgeschlossen ist. Diese doppeltmagischen

Kerne stellen die Ankerpunkte des Schalenmodells dar.

Eine wichtige Frage ist, ob die Schalenstruktur auch für sehr

neutronenreiche Kerne erhalten bleibt oder ob sie vielleicht aufgeweicht

wird. Zur Beantwortung dieser Frage zielen künftige

Experimente auf eine Untersuchung der fünf instabilen doppeltmagischen

Kerne. Diese Kerne, insbesondere Nickel-78 und Zinn-

132 und ihre Nachbarisotope, werden an der geplanten neuen

Anlage FAIR bei der GSI mit den nötigen Intensitäten verfügbar

sein und einen breiten Test des Schalenmodells und weiterführender

Kernmodelle ermöglichen.

Das Ende des Periodensystems:

Superschwere Elemente

Ein anderer Aspekt der Grenzen von Atomkernen betrifft die Frage

nach dem Ende des Periodensystems der Elemente.

Die Physiker hoffen, in künftigen Experimenten mit hochintensiven

Ionenstrahlen weitere Elemente zum Periodensystem hinzufügen

zu können, um mehr und mehr zum Zentrum der Insel der

Stabilität vorzustoßen und diese präziser zu vermessen. Solche

Studien tragen auch zur steten Verbesserung theoretischer Modelle

des Atomkerns bei, wie sie beispielsweise für das Verständnis

der Produktion der schwersten auf der Erde vorkommenden

Elemente in astrophysikalischen Prozessen von Bedeutung sind.

Die Rolle der Theorie

Alle angesprochenen Aspekte der Kernstrukturphysik und viele

weitere spannende Phänomene sind die Konsequenz der komplexen

quantenmechanischen Dynamik der Nukleonen unter

dem Einfluss der Starken Kraft. Es ist Aufgabe der Kernstrukturtheorie,

eine Brücke zwischen der zugrundeliegenden Theorie

der Starken Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik (QCD),

und den Phänomenen der Kernstrukturphysik zu schlagen.

Hierbei hat es in den vergangenen Jahren rasante Fortschritte

gegeben. Es ist möglich geworden, die nukleonischen Wechselwirkungen

ausgehend von der QCD zu konstruieren. Neue computergestützte

Methoden versuchen, die komplizierte Wechselwirkung

mehrere Nukleonen quantenmechanisch zu lösen. Auf

diese Weise lassen sich quantitative Vorhersagen zu Struktur und

Eigenschaften von Kernen machen. Auf diesem Gebiet wird es

auch in den kommenden Jahren viele wichtige Entwicklungen

und Anwendungen geben.

Je weiter die Experimente in die Terra Incognita vorstoßen, desto

maßgebender ist der Beitrag der modernen Kernstrukturtheorie:

Sie ist Wegweiser für die experimentellen Untersuchungen im

unbekannten Land. Sie liefert die physikalische Interpretation der

experimentellen Daten und stellt die Verbindung zur Physik der

Starken Kraft her. Sie liefert Informationen zu Kernen und Beobachtungsgrößen,

die (noch) nicht experimentell zugänglich sind,

und bildet damit nicht zuletzt eine Brücke zur nuklearen Astrophysik.

Status und Perspektiven 2012

13


Kerne und Sterne

– die Entstehung der Elemente

Die Natur hat die chemischen Elemente, aus denen alle Sterne Planeten

und auch wir Menschen bestehen, in zwei Phasen erzeugt.

Die erste Phase endete bereits wenige Minuten nach dem Urknall.

Bis dahin waren nur die leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium

sowie in geringen Mengen Lithium und Beryllium entstanden.

Danach waren Temperatur und Dichte im expandierenden

Universum so weit gesunken, dass keine schwereren Nuklide gebildet

werden konnten.

Die zweite Phase der Nukleosynthese begann erst einige hundert

Millionen Jahre später. Damals formierten sich aus dem Urgas die

ersten Sterne. In deren heißen Zentralgebieten setzten Kernreaktionen

ein, in denen die leichten Elemente Wasserstoff und Helium

nach und nach zu schwereren Elementen bis zum Eisen fusionierten.

Schwerere Nuklide oberhalb von Eisen entstanden in den

letzten Lebensphasen massereicher Sterne, den sogenannten Roten

Riesen, und in gewaltigen Sternexplosionen, den Supernovae.

Der berühmte Satz: „Wir sind aus Sternenstaub gemacht“ ist daher

nicht etwa metaphorisch, sondern im Wortsinn zu verstehen: Jedes

Atom schwerer als Beryllium in unserem Körper oder wo auch

immer im Universum verdankt seine Existenz der Elementsynthese

im Innern der Sterne.

Diese Prozesse mit den Gesetzen der Physik zu beschreiben, ist

ein fundamentales Ziel der nuklearen Astrophysik. Der Anspruch

ist hochgesteckt: Es ist der Versuch, die Häufigkeitsverteilung der

Elemente quantitativ zu erklären. Eng damit verbunden ist die

Frage, wie sich die astrophysikalischen Objekte, die bis heute die

Elemente erzeugen, entwickelt haben. Ohne ein Wissen über die

Struktur der Atomkerne und die Dynamik von Kernreaktionen ist

dieses Unterfangen hoffnungslos. Nukleare Astrophysik und Kernphysik

sind daher untrennbar miteinander verbunden.

Stellare Nukleosynthese in irdischen Laboratorien

Die nuklearen Fusionsreaktionen im Innern der Sterne sind deren

Energiequelle und Elementlieferant. Hierbei werden leichte Kerne

zu schwereren verschmolzen. Zum Beispiel verbrennt unsere Sonne

in jeder Sekunde mehr als 600 Millionen Tonnen Wasserstoff

zu Helium. Ihr großes Reservoir an Wasserstoff reicht aber aus, um

eine Lebensdauer von mehreren Milliarden Jahren zu erreichen.

Stellare Fusionsprozesse laufen allerdings bei so niedrigen Energien

ab, dass ihre Reaktionsraten extrem klein sind. Deshalb sind

direkte Messungen in irdischen Laboratorien wegen zu großer

störender Hintergrundereignisraten trotz des Einsatzes von Beschleunigern

mit höchsten Strahlintensitäten unmöglich. Dennoch

sind solche Messungen in den letzten Jahren erstmals einer

internationalen Kollaboration unter starker deutscher Beteiligung

mit einem Experiment im Gran-Sasso-Labor gelungen. Dieses

befindet sich tief unterhalb des Appenin-Gebirgsmassivs. Der

darüber liegende Fels absorbiert einen Großteil der störenden

kosmischen Strahlung, so dass im Experiment die sehr kleinen Reaktionssignale

nachgewiesen werden konnten.

Die Dynamik vieler astrophysikalischer Ereignisse wird durch

explosionsartig verlaufende Sequenzen von Kernreaktionen bestimmt.

Zu diesen Ereignissen gehören Novae und Supernovae

sowie Röntgenausbrüche. Ohne auf die Ursachen dieser explosionsartigen

Vorgänge näher einzugehen, ist deutlich geworden,

dass in dem hierbei einsetzenden Netz von Kernreaktionen auch

kurzlebige Kerne eine Rolle spielen, die in der Natur nicht vorkommen.

Zur Beschreibung der astrophysikalischen Ereignisse ist es

wichtig, die Eigenschaften dieser Kerne wie Masse, Lebensdauer

und Reaktionsraten zu kennen. Hierzu müssen die Kerne erst

künstlich im Labor hergestellt werden. Dies ist für einige Kerne

in den letzten Jahren an Forschungszentren wie der GSI oder der

ISOLDE am CERN gelungen. Die experimentelle Untersuchung

der meisten solcher exotischen Kerne muss allerdings warten,

bis das Experimentieren an der neuen Anlage FAIR in Darmstadt

möglich sein wird.

Stellare Materie bei höchsten Dichten und

Temperaturen

Ein massereicher Stern erzeugt in seinem Zentralgebiet wie

beschrieben zunehmend schwere Elemente. Auf diese Weise

entsteht dort ein Kerngebiet aus Eisen und Nickel. Eine weitere

Fusion dieser Nuklide ist nicht möglich, weil diese keine Energie

freisetzen würde, sondern Energie benötigt. Versiegt die innere

Fusionsquelle, so bricht dieser Zentralbereich unter seinem eigenen

Gravitationsdruck zusammen.

14 Status und Perspektiven 2012


Kerne und Sterne – die Entstehung der Elemente

Dieser Kollaps setzt sich fort, bis sich im Inneren ein riesiger

„Atomkern“ von etwa einer halben Sonnenmasse mit einem Radius

von einigen 10 km gebildet hat. Weitere Materie, die auf dieses

Zentrum fällt, wird zurückreflektiert, vergleichbar einem Gummiball,

den man gegen eine Wand wirft. Es entsteht eine Stoßwelle,

die durch den Rest des Sterns läuft und dessen äußere Schalen

wegschleudert. Gleichzeitig setzen heftige Kernreaktionen

ein, bei denen enorme Mengen an Neutrinos entstehen. Diese

schießen ins All hinaus und reißen die Materie mit sich. Der heiße,

expandierende Gasball leuchtet nun als Supernova auf. Hierbei

gelangen auch jene Elemente ins Interstellare Medium, die im

Laufe des langen Sternlebens produziert worden sind. Darunter

befinden sich unter anderen die Kerne der Elemente Sauerstoff

und Kohlenstoff, aus denen auf der Erde Leben entstanden ist. Als

Rest der Explosion verbleibt ein hochkomprimiertes Gebilde mit

einem Radius von 10 bis 15 km und einer Masse, die etwa dem

Anderthalb-fachen der Sonne entspricht – ein Neutronenstern.

Das allgemeine Bild einer Supernova-Explosion ist gut verstanden

und wurde durch die unterschiedlichen Beobachtungen der

Supernova 1987a in der Großen Magellanschen Wolke bestätigt.

Details lassen sich allerdings gegenwärtig noch nicht zufriedenstellend

beschreiben. Hierzu zählen die Eigenschaften von

Kernmaterie als Funktion von Temperatur und Dichte. Es ist eine

Herausforderung der Kernreaktionsphysik, die Eigenschaften der

extrem verdichteten Materie in Abhängigkeit von Temperatur und

Dichte, die Zustandsgleichung von Kernmaterie, experimentell zu

bestimmen. Es wird angestrebt, dieses Ziel mit Hilfe von relativistischen

Schwerionenstößen, wie sie bei der GSI und später bei FAIR

möglich sein werden, zu erreichen. Diese Experimente werden

auch zu einem besseren Verständnis der noch weitgehend unverstandenen

inneren Struktur von Neutronensternen führen.

Ein Kern fängt ein Neutron ein, so dass sich die Massenzahl des

Atomkerns um eine Einheit erhöht, die Kernladung (sprich die

Protonenzahl) aber unverändert lässt. Doch dann setzt Betazerfall

ein, bei dem sich das Neutron in ein Proton umwandelt und

damit die Kernladungszahl um eine Einheit erhöht. Damit ist das

nächst höhere Element entstanden. Dieser Weg, dessen kernphysikalische

Prozesse im Allgemeinen gut erforscht sind, läuft hauptsächlich

im Zentralbereich von Sternen während der Fusion von

Helium ab. Hierbei entsteht etwa die Hälfte aller stabilen Atomkerne

schwerer als Eisen. Er endet bei Blei und Wismut.

Die andere Hälfte der schweren Elemente und der Transaktiniden

entsteht in einem zweiten Prozess, dem schnellen r-Prozess (rapid

neutron capture). Dabei nehmen vorhandene Kerne mehrere

Neutronen auf. Sie werden instabil und zerfallen rasch zu stabilen

neutronenreichen Kernen bis hin zu instabilen langlebigen Isotopen

von Uran und Plutonium. Da dieser r-Prozess einen extrem

großen Neutronenfluss voraussetzt und in kürzester Zeit (wenigen

Sekunden) ablaufen muss, ist er nur in einem explosiven

Szenario wie einer Supernova oder dem Verschmelzen von zwei

Neutronensternen vorstellbar.

Da bislang der genaue Ablauf der kernphysikalischen Reaktionen

weitab der Kernstabilität noch weitgehend unaufgeklärt ist, stellt

der r-Prozess gegenwärtig eine der größten Herausforderungen

der experimentellen und theoretischen nuklearen Astrophysik

dar. Man muss Atomkerne mit extremem Neutronenüberschuss

erzeugen, was nur mit höchstintensiven radioaktiven Strahlen

möglich ist. Dafür würde zum Beispiel FAIR beste Voraussetzungen

bieten. Man erwartet hier radioaktive Strahlen mit einer mehrere

tausendmal höheren Intensität als gegenwärtig an irgendeiner

anderen Anlage verfügbar. Damit würde ein weites Gebiet

dieser terra incognita erstmals für die experimentelle nukleare

Astrophysik zugänglich.

Synthese der schweren Elemente im s- und r-Prozess

Im Innern von Sternen entstehen, wie beschrieben, keine Elemente

schwerer als Eisen. Dass es sie dennoch gibt, verdanken

wir einem Trick der Natur: Es ist die Anreicherung der bereits vorhandenen

Kerne mit Neutronen und anschließendem Betazerfall

– klassische Kernphysik also.

Abbildung 1: In der Nuklidkarte sind die verschiedenen Produktionspfade

der Nukleosynthese durch Pfeile gekennzeichnet. Die Fusion

bringt Kerne bis zum Eisen hervor. Die wichtigsten Produktionspfade zur

Bildung schwerer Kerne sind der langsame (slow) Neutroneneinfang

(s-Prozess) und der schnelle (rapid) Neutroneneinfang (r-Prozess).

Hierfür gibt es zwei Wege. Der erste heißt s-Prozess (slow neutron

capture) (Abbildung 1). Er läuft bei verhältnismäßig geringen Neutronendichten

und Temperaturen ab.

Außerdem gibt es noch andere Prozesse, die zu den protonenreichen

schweren Kernen führen. Einer davon ist der schnelle Protoneneinfang

(rp-Prozess). Der rp- und der r-Prozess laufen durch Gebiete weitab der

stabilen Isotope und sollen an der geplanten Anlage FAIR systematisch

erforscht werden.

Status und Perspektiven 2012

15


Hadronen, Kerne

und fundamentale Symmetrien

Der Bauplan der Materie spiegelt ein hohes Maß an Symmetrie

wider. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist eine Schneeflocke.

Dreht man sie um 60 Grad, so deckt sich das gedrehte Bild mit

dem ursprünglichen. Die Schneeflocke besitzt also eine Rotationssymmetrie

in Schritten von 60 Grad.

So wenig bedeutsam uns solche Symmetrieverletzungen für

unser Alltagsleben erscheinen, so entscheidend waren sie doch

seit Anbeginn des Universums für die Existenz und Zusammensetzung

der Materie im Kosmos. Die Suche nach Symmetrieverletzungen

ist daher ein zentrales Anliegen moderner physikalischer

Forschung. Wie das Beispiel des Betazerfalls zeigt, sind

ausgewählte Hadronen und Kerne ideale Mikrolaboratorien, um

fundamentale Symmetrien und Wechselwirkungen der Natur zu

untersuchen.

Die Existenz der Materie – Ergebnis einer

Symmetrieverletzung

Ein besonders markantes Beispiel für die Bedeutung von Symmetrieverletzungen

ist die Existenz von Materie. Unter vollständiger

Symmetrie müssten unmittelbar nach dem Urknall gleich viele

Teilchen und Antiteilchen entstanden sein. Diese hätten sich aber

gegegenseitig ausgelöscht und wären dabei vollständig in Strahlung

umgewandelt. Dass es im Universum dennoch Materie gibt,

muss seine Ursache in einer Verletzung der Symmetrie haben.

Die bislang gefundenen Fälle von Symmetrieverletzung reichen

jedoch nicht aus, um die heute vorhandene Materiemenge im

Universum zu erklären. Physiker suchen deswegen nach weiteren

Beispielen, die sie insbesondere für Hadronen erwarten, die

schwere Quarks enthalten.

Weniger anschaulich, aber von fundamentaler Bedeutung, sind

Symmetrien im elementaren Regelwerk der Naturgesetze. Laufen

Prozesse auf der Skala der Elementarteilchen genauso ab, wenn

man sie spiegelt, Teilchen mit Antiteilchen vertauscht oder die

Zeitrichtung umkehrt? Lange Zeit glaubte man, dass alle elementaren

Prozesse unverändert unter diesen drei Symmetrietransformationen

Spiegelung, Teilchen-Antiteilchen-Vertauschung und

Zeitumkehr ablaufen. Umso überraschender war die Entdeckung

vor etwa 50 Jahren, dass beim radioaktiven Betazerfall die Spiegelsymmetrie

verletzt ist. Das hierbei aus dem Kern herausfliegende

Elektron besitzt stets eine linkshändige Eigenrotation (Spin) in

Flugrichtung. Der zum Betazerfall gespiegelte Prozess mit rechtshändigen

Elektronen kommt in der Natur nicht vor.

Physik jenseits des Standardmodells

Seit nahezu vierzig Jahren beschreibt das Standardmodell die

Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte. Es

umfasst die Theorie der Starken und Schwachen sowie der elektromagnetischen

Kraft. Die Physiker vermuten jedoch aus mehreren

Gründen, dass das Standardmodell erweitert oder durch ein

noch umfassenderes Modell ersetzt werden muss. So ist es bei

sehr hohen Energien mathematisch nicht mehr definiert, und es

enthält eine Vielzahl von experimentell zu bestimmenden Parametern,

die eigentlich die Theorie festlegen sollte. Nicht zuletzt

erfordert die Einbeziehung der Gravitation eine grundlegende Erweiterung

des Standardmodells. Infolgedessen sind die Teilchen-,

Hadronen- und Kernphysiker auf der Suche nach Prozessen, die

auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.

16

Status und Perspektiven 2012


Hadronen, Kerne und fundamentale Symmetrien

Im Bereich der Kernphysik besitzen Niederenergie-Präzisionsexperimente

zur Schwachen Kraft ein hohes Entdeckungspotenzial

für diese Fragestellungen. Solche Studien umfassen unter anderem

empfindliche Tests der Spiegel- und Zeitumkehrsymmetrie.

Neben Kernen und Hadronen bietet auch der elementarste aller

Betazerfälle, der des Neutrons, ein für diese Zwecke ideales Untersuchungsobjekt.

Hierfür stehen kalte und ultra-kalte Neutronen

an Instituten in Grenoble, Mainz, München und am Paul-Scherrer-

Institut (Schweiz) zur Verfügung.

Der erste Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells der

Teilchenphysik kam aus dem Studium von Neutrinos, die der

Schwachen Kraft unterliegen. Man kann sich dies in einem Bild

veranschaulichen, in dem das Neutrino eine Kugel ist, die um

eine Achse rotiert. In der Natur kommen nur Neutrinos vor, die

sich in Bewegungsrichtung links herum drehen (linkshändiges

Neutrino). Rechtshändige Neutrinos gibt es nicht, womit die Spiegelsymmetrie

gebrochen ist. Es gibt drei Neutrino-Arten, die sich

überraschenderweise ineinander umwandeln können.

Das Studium solcher Neutrino-Oszillation bildet heute ein großes

Arbeitsgebiet. Darüber hinaus ist die Masse der Neutrinos nach

wie vor nicht bekannt. Deren Bestimmung aus dem Betazerfall

oder dem sogenannten „neutrinolosen Doppel-Betazerfall“ soll

die Tür zur Physik auf großen Energieskalen jenseits des Standardmodells

aufstoßen. Auch hier hätte das Ergebnis aus dem Labor

weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis der Astrophysik

und Kosmologie und der eingangs erwähnten Frage nach der

Existenz von Materie im Universum.

Taj Mahal: Natur (oben) und Spiegelbild (unten) identisch!

Linkes Bild: die DNS als Rechtschraube, wie sie in der Natur vorkommt.

Rechtes Bild: DNS als Linksschraube, die nicht in den Natur vorkommt.

Das Experiment GERDA (GERmanium Detector Array) am Laboratori

Nazionali del Gran Sasso (LNGS) sucht nach dem neutrinolosen

Doppel-Betazerfall.

Linkes Bild: Ein linkshändiges Neutrino, wie es in der Natur vorkommt,

rotiert in Bewegungsrichtung (gelber Pfeil) links herum.

Rechtes Bild: ein rechtshändiges Neutrino kommt nicht in der Natur vor.

Status und Perspektiven 2012 17


Hadronen

– starke Verbindungen der Quarks

Wie Atome unter dem Einfluss der Elektromagnetischen Kraft

Molekülverbindungen eingehen, so schließen sich Quarks als

Folge der Starken Kraft zu Verbindungen zusammen. Diese Verbindungen

werden Hadronen genannt. Da es sechs verschiedene

Sorten von Quarks – und entsprechende Antiquarks – gibt, die auf

unterschiedliche Weise verknüpft werden können, existiert eine

Vielzahl von Hadronen. Fast alle sind jedoch instabil und lassen

sich nur für kurze Zeit in Beschleunigerexperimenten erzeugen.

Die einzigen stabilen Hadronen in der Natur sind die Protonen und

die in Atomkernen gebundenen Neutronen. Sie bestehen aus den

zwei leichtesten Quarks, genannt up (u) und down (d) Quarks.

Im Gegensatz zu Molekülverbindungen, die in ihre Bestandteile

– die Atome – zerlegt werden können, lassen sich Hadronen nicht

in einzelne Quarks aufspalten. Trotz intensiver Suche wurden bisher

keine isolierten Quarks in der Natur beobachtet. Phänomenologisch

erklärt man sich die Gefangenschaft der Quarks dadurch,

dass die durch Gluonen vermittelte Starke Kraft ähnlich wie ein

Gummiband wirkt. Zieht man die Quarks auseinander, so muss

man Arbeit aufbringen, die als potenzielle Energie im Gummiband,

das heißt im Gluonenfeld zwischen ihnen, gespeichert

wird. Das Gummiband reißt erst, wenn die Energie zur Bildung

eines Quark-Antiquark-Paares ausreicht, was zur Bildung neuer

Hadronen führt, aber keine Quarks freisetzt (Abbildung 1). Hierbei

wandelt sich also gemäß der Formel E = mc 2 Energie in Materie

um. Die absolute Gefangenschaft der Quarks in den Hadronen

wird als Confinement bezeichnet. Es ist eine der großen Herausforderungen

der modernen Physik, das Confinement nicht nur

qualitativ, sondern auch quantitativ im Rahmen der Theorie der

Starken Kraft zu verstehen.

Anders als die Moleküle, die wir weitgehend aus den Eigenschaften

der Atome verstehen können, geben uns die Hadronen noch

immer große Rätsel auf. Um diese aufzuklären, ist ein viel tiefergehendes

Verständnis der Starken Kraft erforderlich. So kann die

Theorie der Starken Kraft – die Quantenchromodynamik (QCD)

bisher nicht beschreiben wie die Quarks in Hadronen gefangen

sind. Erfolgversprechend zur Lösung dieser Frage sind Ansätze, in

denen die Eigenschaften von Hadronen mit Hochleistungscomputern

berechnet werden. Dies geschieht im Rahmen so genannter

Gittereichtheorie.

Abbildung 1: In der Natur treten Quarks nicht isoliert auf, sondern immer

nur in Paaren oder Dreierkombinationen. Versucht man Quarks zu

trennen, so erfordert das riesige Energien, und es entstehen neue Quark-

Antiquark-Paare.

Die Gefangenschaft der Quarks

Die Masse des Protons

Üblicherweise ergibt sich die Masse eines zusammengesetzten

Systems aus der Summe der Massen seiner Bestandteile – bis auf

kleine Korrekturen durch Bindungseffekte, die die Masse des zusammengesetzten

Systems geringfügig verringern. Umso überraschender

war die Beobachtung, dass die Quarks weniger als zwei

Prozent zur Protonen- beziehungsweise Neutronenmasse beitragen.

Nach unserem heutigen Verständnis ergibt sich die Masse der

Nukleonen zum überwiegenden Teil aus der Bewegungsenergie

der Quarks und der Energie des Gluonenfeldes zwischen ihnen.

Auch hier kommt die Äquivalenz von Energie und Masse (E = mc 2 )

zur Geltung. Der Mechanismus, der die Protonen- und Neutronenmasse

(allgemeiner gesagt die Hadronenmasse) generiert, ist

aber im Einzelnen noch nicht verstanden. Die Physiker nehmen

an, dass er eng mit dem Übergang vom Quark-Gluon-Plasma zu

den Hadronen in der Frühphase des Universums verknüpft ist.

18

Status und Perspektiven 2012


Hadronen – starke Verbindungen der Quarks

Als in dieser Phase die quasi-freien Quarks sich zusammenlagerten

und Hadronen bildeten, fand ein sogenannter Phasenübergang

statt. Hierbei wurde die so genannte chirale Symmetrie der

Starken Kraft spontan gebrochen (siehe auch das Kapitel „Hadronen

und Kerne – Mikrolaboratorien für fundamentale Symmetrien

und Wechselwirkungen“). Die chirale Symmetrie ist eine

„Links-rechts-Symmetrie“. Sie besagt, dass bei allen durch die

Starke Wechselwirkung bestimmten Prozessen die Chiralität, das

heißt die durch Flugrichtung und Spin (Eigenrotation) definierte

Händigkeit eines Up- oder Down-Quarks erhalten bleibt. Wäre

die Chirale Symmetrie auch in unserer hadronischen Welt erfüllt,

so sollten bestimmte Paare von Hadronen, so genannte chirale

Partner, gleiche Massen haben. Die beobachteten Hadronenmassen

von chiralen Partnern sind aber deutlich unterschiedlich.

Dies lässt sich über die spontane Brechung der chiralen Symmetrie

erklären, die eine Verschiebung und Aufspaltung der Massen

chiraler Partner bewirkt und somit zu ihrer hadronischen Masse

beiträgt.

Hadronen (Abbildung 2). Auf experimenteller Seite benötigt man

zur weiteren Klärung dieser Fragen Elektronenstrahlen mit hoher

Polarisation und deutlich höheren Intensitäten als gegenwärtig

verfügbar. Planungen für entsprechende neue Beschleunigeranlagen

und Nachweissysteme haben begonnen.

Die Entwicklung von Elektronenquellen hoher Intensität und hohem

Polarisationsgrad ist wichtig für die Paritätsverletzende

Elektronenstreuung.

Suche nach neuen hadronischen Formen der Materie

Abbildung 2: Unsere Vorstellung vom Inneren eines Protons: Drei Quarks

schwimmen in einem See aus virtuellen Quark-Antiquark-Paaren, in die

sich die Gluonen kurzzeitig verwandeln können. Die Masse des Protons

wird in diesem Bild durch die Bewegungs- und Wechselwirkungsenergie

der Konstituenten bestimmt. Außerdem besitzen Quarks und Gluonen

einen Eigendrehimpuls (kleine Pfeile) und durch ihre Bewegung auch

einen Bahndrehimpuls, die zum Gesamtdrehimpuls des Protons (großer

Pfeil) beitragen.

Der Eigendrehimpuls des Protons

Protonen besitzen einen Eigendrehimpuls, von den Physikern

als Spin bezeichnet. Lange Zeit wurde angenommen, dass sich

der Spin des Protons in einfacher Weise aus einer Kopplung der

Quarkspins ableiten lässt. Streuexperimente mit hochenergetischen

Elektronen zeigten dann aber, dass die Spins der Quarks

weniger als 30 Prozent zum Spin des Protons beitragen. Um dieses

Problem zu lösen, wurde von theoretischer Seite ein signifikanter

Beitrag der Gluonenpolarisation und/oder der Bahnbewegung

der Quarks zum Gesamtdrehimpuls des Protons vorausgesagt.

Neue experimentelle Daten von COMPASS am CERN und HERMES

am DESY zeigen, dass der Beitrag Gluonenpolarisation klein ist.

Dagegen gibt es erste experimentelle Hinweise, dass die Bahnbewegung

der Quarks einen endlichen Beitrag zum Gesamtdrehimpuls

des Protons liefert. Neue theoretische Beschreibungen ermöglichen

ein 3-dimensionales Bild von der inneren Struktur der

Elektromagnetische Ladungen wechselwirken durch den Austausch

von Photonen. Zum Beispiel bilden ein negativ geladenes

Elektron und ein positiv geladenes Proton ein gebundenes Wasserstoffatom.

Die Wechselwirkung zwischen Quarks verursachen

Gluonen. Im Gegensatz zu den elektrisch ungeladenen Photonen

tragen die Gluonen jedoch eine Farbladung und üben daher eine

stark anziehende Kraft aufeinander selbst aus. Dies hat nichts mit

Farben in der Natur zu tun, wie wir sie wahrnehmen, sondern

kennzeichnet eine Eigenschaft der Gluonen. Die extreme Stärke

dieser Wechselwirkung führt zu einem komplexen Bild für die in

der Natur beobachteten Hadronen, die aus Quarks, Antiquarks

und Gluonen zusammengesetzt sind. Qualitativ kann man die

bislang beobachteten Hadronen als Zwei- bzw. Drei-Teilchensysteme

von Konstituentenquarks beschreiben. In den letzten Jahren

wurde dieses Bild erschüttert. Eine ganze Reihe von neuen

Zuständen wurde entdeckt, die vermutlich exotischer Natur sind

und damit dem konventionellen Zwei- bzw. Drei-Teilchenbild von

Hadronen entgegen stehen. Die Frage, welche Strukturen durch

die starke Wechselwirkung tatsächlich realisiert werden können,

hat sich zu einem zentralen Forschungsfeld entwickelt. Es sollten

zum Beispiel auch Hybridzustände aus zwei Konstituentenquarks

und einem Gluon möglich sein. Es ist eine experimentelle und

theoretische Herausforderung die relevanten Freiheitsgrade für

die Beschreibung des hadronischen Anregungsspektrums in der

QCD zu finden und mit Hilfe derer eine Beschreibung der Reaktionsdynamik

und Hadronstruktur zu etablieren. Die sich im Aufbau

befindliche Anlage FAIR eröffnet einzigartige Möglichkeiten

für das Studium neuer hadronischer Zustandsformen in Proton-

Antiproton Kollisionen.

Status und Perspektiven 2012 19


Kernmaterie unter extremen Bedingungen

– von der „Ursuppe“ zu Neutronensternen

Weltweit werden an den größten Beschleunigeranlagen Experimente

mit hochenergetischen Ionenstrahlen durchgeführt, um

die Eigenschaften von Kernmaterie bei höchsten Dichten und

Temperaturen zu untersuchen. Dazu werden zwei schwere Atomkerne

bei fast Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht, so dass

kurzzeitig ein hoch komprimierter und heißer Feuerball entsteht.

Dieser explodiert unmittelbar nachdem er seine maximale Dichte

durchlaufen hat und zerfällt schließlich in Tausende von Teilchen,

von denen die meisten erst im Stoß entstehen. Die so erreichten

Dichten übersteigen um ein Vielfaches die ohnehin schon enorme

Dichte in normalen Atomkernen. Ein Stück Kernmaterie von

der Größe eines Würfelzuckers besäße eine Masse von 300 Millionen

Tonnen. Die Dichte des Feuerballs, die hier experimentell zugängig

wird, kommt in der Natur nur im Zentrum von Neutronensternen

vor. Die erzielten Temperaturen sind hunderttausendfach

höher als die im Zentrum der Sonne.

Bei kleinen Dichten und hohen Temperaturen gehen die Hadronen

kontinuierlich in das Quark-Gluon-Plasma über. Nach unserem

heutigen Verständnis war dies die „Ursuppe“, aus der das

heiße Universum kurz nach dem Urknall bestand. Heute könnte

Quark-Gluon-Materie noch im Zentrum von Neutronensternen

existieren, bei sehr hohen Dichten und vergleichsweise niedrigen

Temperaturen.

Bei solch hohen Dichten und Temperaturen lösen sich die Protonen

und Neutronen (Nukleonen) in ihre Bestandteile Quarks und

Gluonen auf. Die Theorie der Starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik

(QCD), sagt hier einen Phasenübergang von

Kernmaterie in ein Plasma aus Quarks und Gluonen voraus. Kernmaterie

kann also verschiedene Zustandsformen in Abhängigkeit

von Temperatur und Druck annehmen, ähnlich wie Wasser, das je

nach Temperatur und Druck flüssig, fest oder gasförmig sein kann.

Abbildung 1 zeigt eine Skizze des theoretisch vorhergesagten

Phasendiagramms von Kernmaterie. Aufgetragen ist die Temperatur

in Einheiten von Millionen Elektronenvolt 1 gegen die Dichte

in Einheiten der normalen Atomkerndichte. Für besonders hohe

Temperaturen oder Dichten erwartet man, dass sich die Nukleonen

in ihre Bestandteile auflösen und das erwähnte Plasma aus

Quarks und Gluonen bilden. Man nimmt heute an, dass dieser

Phasenübergang je nach Temperatur und Dichte unterschiedlich

abläuft: Bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen bildet

sich erst eine gemischte Phase aus Hadronen, Quarks und Gluonen,

ähnlich wie Wasser am Siedepunkt in eine Phase aus Tröpfchen

und Dampf übergeht. Dieser Phasenübergang erster Ordnung

endet in einem kritischen Punkt, in dem besonders große

Dichteschwankungen erwartet werden.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Phasendiagramms von

Kernmaterie

Gegenwärtige und zukünftige Experimente konzentrieren sich

auf die Erforschung von zwei Bereichen des Phasendiagramms

von Kernmaterie: Bei hohen Temperaturen und niedrigen Dichten

sollen die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas detailliert

untersucht werden. Bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen

wird nach dem Phasenübergang erster Ordnung und dem

kritischen Endpunkt gesucht. In beiden Fällen dienen die Eigenschaften

der im Stoß herausgeschleuderten Teilchen (Energie,

Masse und Zusammensetzung) als diagnostische Sonden des

im Feuerball erzeugten Materiezustands. Eine besondere Rolle

spielen hierbei solche Teilchen, die aus der frühen und dichten

Phase des Feuerballs stammen und nur wenig durch die spätere

hadronische Phase beeinflusst werden. Dazu gehören besonders

Teilchen, die bereits im Innern des Feuerballs zum Beispiel in

Elektron-Positron-Paare zerfallen. Interessant sind auch instabile

Teilchen, die aus schweren Quarks bestehen.

1 100 Millionen Elektronenvolt (eV) entsprechen einer Temperatur von 1,2 Billionen Kelvin.

Zum Vergleich: im Zentrum unserer Sonne herrscht eine Temperatur von knapp 16 Millionen Kelvin

20

Status und Perspektiven 2012


Kernmaterie unter extremen Bedingungen – von der „Ursuppe“ zu Neutronensternen

Eine weitere wichtige Beobachtungsgröße ist der kollektive Fluss

der Teilchen, der Rückschlüsse auf die Eigenschaften des frühen

Feuerballs erlaubt.

Der kollektive Fluss beschreibt das Expansionsverhalten der Materie

nach einer Kollision, ähnlich wie die Hubble-Konstante die

Expansion des Universums charakterisiert.

Kern-Kern-Stöße bei höchsten Temperaturen

– Einblicke in die Frühphase des Universums

Kern-Kern-Stöße bei höchsten Dichten

– Einblicke in das Innere von Neutronensternen

Abbildung 2 – oben: Drei Schnappschüsse einer zentralen Kollision

zweier schwerer Atomkerne bei CERN-LHC Energien als Ergebnis einer

Computer-Simulation. Die einlaufenden Kerne sehen aus wie flache

Scheiben da sie mit fast Lichtgeschwindigkeit fliegen und aufgrund der

speziellen Relativitätstheorie stark in Flugrichtung kontrahiert sind.

Abbildung 2 – unten: Zentrale Kollision zweier Bleikerne bei einer

Schwerpunktsenergie von 2,76 TeV pro Nukleon. Die daraus resultierenden

Teilchenspuren wurden mit der Zeitprojektionskammer des ALICE

Experimentes am LHC aufgenommen.

Den Zustand eines ausgedehnten, heißen Quark-Gluon-Plasmas,

wie er wenige Mikrosekunden nach dem Urknall vorlag, lässt sich

künstlich erzeugen, indem man Atomkerne bei den höchsten

erreichbaren Energien zur Kollision bringt. Die detaillierte Untersuchung

der Eigenschaften dieser nur aus Elementarteilchen

bestehenden Materie ist das Ziel der Experimente am Relativistic

Heavy-Ion Collider (RHIC) in den USA und am Large Hadron Collider

(LHC) des CERN mit dem ALICE-Detektor. Letzterer wurde von

einer Kollaboration von über 1200 Physikern aufgebaut nimmt

seit November 2010 Daten (Abbildung 2). Erste experimentelle

Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das Quark-Gluon-Plasma

wie eine perfekte Flüssigkeit verhält.

Abbildung 3 – oben: Drei Schnappschüsse einer zentralen Kollision zweier

schwerer Atomkerne bei FAIR Energien als Ergebnis einer Computer-

Simulation. Die einlaufenden Kerne sind weniger stark kontrahiert als

bei LHC Energien.

Abbildung 3 – unten: Zentrale Kollision zweier Goldkerne, bei der ein

Kern mit einer Energie von 25 GeV pro Nukleon auf einen ruhenden Atomkern

trifft. Die Spuren sind das Ergebnis von Simulationsrechnungen, die

im Rahmen der Entwicklung des Experiments CBM an FAIR durchgeführt

werden.

Einen anderen Weg beschreiten die Experimente der geplanten

Beschleunigeranlage FAIR. Der Energiebereich, in dem dort die

Atomkerne zur Kollision gebracht werden, erlaubt die Produktion

eines Feuerballs mit vielfacher normaler Kerndichte. Das auf diese

Weise erzeugte Quark-Gluon-Plasma ähnelt in seiner Zusammensetzung

dem Inneren von Neutronensternen. Ein Ziel der geplanten

Messungen ist die Entdeckung vorhergesagter Übergänge im

Phasendiagramm von Kernmaterie, insbesondere des erwähnten

Phasenübergangs erster Ordnung und des kritischen Punktes.

Gegenwärtig arbeitet eine internationale Kollaboration von mehr

als 400 Wissenschaftlern an der Entwicklung des Detektors Compressed

Baryonic Matter (CBM), der speziell für solche Experimente

konzipiert wurde (Abbildung 3).

Status und Perspektiven 2012 21


Beschleuniger

– Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik

Aktuell betriebene Beschleunigeranlagen

Die Struktur von Atomkernen und Hadronen kann sehr präzise

mit Elektronenstrahlen vermessen werden. Für solche Experimente

werden gegenwärtig der supraleitende SDALINAC an der

TU Darmstadt, die Mikrotronanlage MAMI mit der kürzlich fertig

gestellten Ausbaustufe C (Abbildung 1) an der Universität Mainz

sowie die Ringanlage ELSA an der Universität Bonn eingesetzt.

Abbildung 1: Die Ausbaustufe MAMI C in Mainz mit 180-Grad-Umlenkung.

An der Synchrotronanlage COSY des FZ Jülich werden kurzlebige

Hadronen erzeugt und mit verschiedenen Detektorsystemen

untersucht. Hierfür stehen Strahlen aus Deuteronen (Kerne des

schweren Wasserstoffatoms Deuterium) und spinpolarisierten

Protonen zur Verfügung. Dies bedeutet, dass die Spins (eine Art

Eigenrotation) der Protonen alle gleich ausgerichtet sind. Auch

das Target mit den zu untersuchenden Kernen lässt sich polarisieren.

Das COSY zeichnet sich unter anderem durch eine besonders

leistungsstarke stochastische Kühlereinrichtung aus, die Strahlen

hoher Brillanz und kleiner Energieunschärfe erzeugen kann. Hierzu

werden Abweichungen der Bewegung eines Teilchenensembles

von der Sollbahn an einer Stelle der Umlaufbahn erfasst und

anschließend an einer anderen Stelle durch Anlegen einer elektrischen

Spannung korrigiert.

An der GSI Darmstadt wird der Linearbeschleuniger Unilac mit

variabler Energie und Ionensorten von Protonen bis hoch zu

Uran traditionell für Experimente an der Coulomb- Barriere betrieben:

Das heißt, die Ionenkerne besitzen gerade ausreichend

Geschwindigkeit, um die elektrische Abstoßung von Atomkernen

aus dem getroffenen Target überwinden und eine Kernreaktion

auslösen zu können. Weiterhin wird mit dem Unilac ein Strahl in

die Synchrotron– und Speicherringanlage SIS18 und ESR injiziert.

In Rex-Isolde am CERN werden radioaktive Ionen erzeugt und

beschleunigt und an der Coulomb-Barriere untersucht.

Die Beschleunigeranlage FAIR

Die Realisierung der Forschungsanlage „Facility for Antiproton

and Ion Research“ (FAIR) in Darmstadt stellt besondere Anforderungen

an die Beschleunigertechnologie. Die FAIR Beschleuniger

nutzen die existierenden Beschleuniger der GSI (Unilac und SIS18)

als Injektor. Wegen der gewünschten hohen Primärintensitäten

von bis zu 1012 Ionen pro Sekunde und 1013 Protonen pro Sekunde

muss der Injektorkomplex ausgebaut werden. Derzeit wird

hierfür ein Hochstromprotoneninjektor sowie ein supraleitender

Dauerstrichlinearbeschleuniger mit variabler Ionenenergie entwickelt

(Abbildung 2). Letzterer wird insbesondere die erfolgreiche

Fortsetzung der Suche nach superschweren Elementen bei der

GSI ermöglichen.

Die weitere Teilchenbeschleunigung erfolgt dann in einem Synchrotron

SIS100 mit supraleitenden Magnetspulen und Eisenjochen,

um den Energieverbrauch niedrig zu halten. Weltweit

erstmalig werden Magnete entwickelt (Abbildung 3), die schnelle

Feldänderungen von bis zu 4 Tesla pro Sekunde erlauben, um innerhalb

von nur einer viertel Sekunde den Strahl im SIS100 auf die

Maximalenergie beschleunigen zu können (Abbildungen 4 und 5).

Diese technische Neuerung wird viele Anwendungen in anderen

Gebieten finden. Darüber hinaus erfordert die hohe Taktrate die

Entwicklung von neuartigen, kompakten Beschleunigereinheiten

in den Ringen sowie von Strahlkollimatoren. Diese entfernen Teilchen

aus dem Randbereich des Strahls und vermeiden dadurch

unkontrollierte Strahlverluste die das Vakuum in der Maschine

verschlechtern.

Schließlich wird ein im SIS-100-Tunnel untergebrachtes zweites

Synchrotron SIS 300 den Strahlenergiebereich nach oben abdecken.

22

Status und Perspektiven 2012


Beschleuniger – Großgeräte der Hadronen- und Kernphysik

Für FAIR werden vier nachfolgende Ringe benötigt, um die erzeugten

Sekundärteilchen zu sammeln, die Strahlqualität durch

Kühlprozesse zu verbessern sowie schließlich Präzisionsexperimente

durchzuführen. Am Hochenergiespeicherring HESR wird

insbesondere mit elektronengekühlten und nachbeschleunigten

Antiprotonen, am neuen Experimentierspeicherring NESR mit

seltenen Isotopen experimentiert.

Abbildung 2: Mehrzellige supraleitende Kavität aus hochreinem Niob zur

Teilchenbeschleunigung im Nieder- und Mittelenergiebereich.

Am COSY in Jülich wird derzeit ein ambitionierter Elektronenkühler

entwickelt und aufgebaut (Abbildung 4). Er dient als Zwischenschritt

zur Entwicklung des endgültigen Elektronenkühlers

für den HESR. Dazu wird ein kalter Elektronenstrahl mit Sollgeschwindigkeit

und Bewegungsrichtung des Ionenstrahls über

einige Meter auf die Ionenumlaufbahn eingelenkt. Ionen, die von

der Sollflugbahn abweichen, erfahren „Reibung“ an den mitfliegenden

Elektronen und gelangen dadurch wieder näher an ihre

Sollbahn heran.

Initiativen zur Unterstützung der FAIR-

Beschleunigerentwicklung

Die an mehreren Hochschulen vorhandene Beschleuniger-Expertise

soll noch stärker in die Entwicklung von FAIR eingebunden

werden. Hierfür wurde 2008 innerhalb der hessischen Förderinitiative

LOEWE das Helmholtz International Center HICforFAIR und

2009 das Helmholtz Institut Mainz HIM gegründet.

Abbildung 3: Erfolgreich getesteter, schnell gepulster SIS-100-Dipol mit

supraleitender Spule und ferromagnetischem Joch.

Die Universität Frankfurt baut gegenwärtig die intensive Frankfurter

Neutronenquelle FRANZ für thermische Neutronenspektren

für den Energiebereich von 30 keV auf. Sie soll das FAIR-Programm

zur nuklearen Astrophysik ergänzen.

Kompakte Beschleunigeranlage am

Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT

An der GSI Darmstadt wurde im Verlauf mehrere Jahre die Methode

der Tumortherapie mit Kohlenstoffstrahlen entwickelt. Daraus

entstand das Konzept einer auf Tumorbestrahlungen optimierten

Beschleunigeranlage, welche schließlich am Universitätsklinikum

Heidelberg realisiert wurde. In diesem Heidelberger Ionenstrahl-

Therapiezentrum HIT werden seit November 2009 Patienten

behandelt. Diese Anlage setzte neue Maßstäbe in der Effizienz

einer Ionenstrahltherapieanlage. Auf dieser Erfahrung aufbauend

erstellt die Firma SIEMENS inzwischen mehrere Anlagen dieser

Art an verschiedenen Standorten. Die Anlagen CNAO bei Mailand

sowie Medaustron in Wiener Neustadt orientieren sich ebenfalls

an HIT.

Abbildung 4: Computergrafik des Elektronenkühlers am COSY in Jülich.

Die Elektronen werden durch die blauen Strahlrohre in den Beschleuniger

ein- und wieder ausgelenkt.

Status und Perspektiven 2012 23


Instrumente der Hadronen- und Kernphysik

– Hochtechnologie für Forschung und Anwendung

Die Hadronen- und Kernphysik wurde in der Vergangenheit und

wird auch in Zukunft ganz wesentlich durch neue Experimentiermöglichkeiten

vorangetrieben. Signifikante Fortschritte in der

Forschung hängen daher stark ab von neuen technologischen

Entwicklungen in den Bereichen Beschleuniger, Detektorsysteme

sowie Datenaufnahme- und Analysesysteme.

An den Universitäten Bonn, Darmstadt und Mainz werden Elektronenbeschleuniger

betrieben, deren Strahlen sich besonders gut

zur präzisen Vermessung der Struktur von Atomkernen und Hadronen

eignen. Die Experimente werden zum Beispiel mit hochauflösenden

Spektrometern durchgeführt.

Am Ringbeschleuniger COSY des FZ Jülich befinden sich mehrere

Experimentaufbauten zur Untersuchung der Struktur von kurzlebigen

Hadronen, die in Stößen zwischen Protonen und verschiedenen

Atomkernen erzeugt werden.

An der ISOLDE-Anlage am CERN in Genf werden inzwischen weit

über tausend verschiedene Radionuklide erzeugt und untersucht.

Die Nachbeschleuniger REX-ISOLDE und der daran installierten

Detektoranordnung MINIBALL, die atomphysikalischen Methoden

wie die hochauflösende Laserspektroskopie und die Präzisions-Massenspektrometrie

mit Penningfallen sind ideale Werkzeuge

zur Erforschung der Grundzustandseigenschaften kurzlebiger

Radionuklide.

An der Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für

Schwerionenforschung in Darmstadt wird ein breites Spektrum von

Experimenten zur Kern-, Hadronen-, Atom-, Plasma-, Material- und

Biophysik durchgeführt. Die Strahlen aus dem Unilac Beschleuniger

dienen zur Erzeugung neuer superschwerer Elemente. Am GSI

Fragmentseparator sowie in den nachfolgenden Versuchsaufbauten

und im Experimentierspeicherring ESR werden Experimente

zur Nukleosynthese in Sternen oder in Supernovae durchgeführt.

In hochenergetischen Stößen zwischen Atomkernen wird kurzzeitig

dichte Kernmaterie erzeugt und untersucht.

Bild oben: Vier-Spektrometeranlage am Elektronenbeschleuniger MAMI

der Universität Mainz

Bild unten: Der WASA Detektor am COSY Beschleuniger des FZ Jülich

24

Status und Perspektiven 2012


Instrumente der Hadronen- und Kernphysik – Hochtechnologie für Forschung und Anwendung

Im Experimentierspeicherring ESR der GSI können einzelne Ionen

untersucht werden.

Das Experiment HADES an der GSI misst Elektronenpaare und Hadronen

um die Eigenschaften von Kernmaterie zu studieren.

Den ersten supraleitenden Dipolmagneten für den Super-Fragmentseparator

bei FAIR hat das Budker-Institut in Nowosibirsk gebaut und an die

GSI geliefert.

Deutsche Hadronen- und Kernphysiker/innen waren und sind wesentlich

am Aufbau und Betrieb des Detektorsystems ALICE am

LHC des CERN beteiligt. Ziel dieses Experiments ist die Erforschung

der Eigenschaften eines extremen Zustands von Kernmaterie, dem

sogenannten Quark-Gluon-Plasma. Es wird in sehr energiereichen

Stößen zwischen Atomkernen erzeugt. Man nimmt an, dass sich die

Urmaterie kurz nach dem Urknall in einem solchen Zustand befand.

Ziel des Experiments ALICE am LHC des CERN ist die Erforschung der

Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas.

Hochleistungsrechner sind heute ein unverzichtbares Instrument

der Forschung. Sie dienen sowohl der Datenverarbeitung großer

Experimente als auch der Durchführung komplexer Simulationen

und theoretischer Berechnungen. Als besonders wirtschaftlich und

energieeffizient haben sich moderne Computerfarmen erwiesen,

die aus mehreren hundert Rechnerknoten mit Many-core CPUs

und GPUs bestehen. Um die bereitgestellte Leistung voll auszuschöpfen

ist hoch optimierte Software nötig, die Parallelisierung,

Vektorisierung und GPU-Programmierung beinhaltet

Lasersystem zur resonanten Ionisation von Radionukliden an ISOLDE

Im Rahmen der Realisierung des internationalen Forschungszentrums

FAIR in Darmstadt wird die Entwicklung modernster Technologien

auf den Gebieten Teilchenbeschleuniger, Experimentieranlagen

und Hochleistungsrechner weiter vorangetrieben.

Für die FAIR Experimente werden ultraschnelle und strahlenharte

Detektorsysteme mit neuartiger Ausleseelektronik entwickelt.

Gleichzeitig entsteht an der GSI ein besonders energieeffizientes

Hochleistungs-Rechenzentrum („GreenIT-Cube“). Die im Rahmen

von FAIR vorangetriebenen technischen Innovationen werden viele

Anwendungen in anderen Gebieten von Wissenschaft, Gewerbe

und Industrie finden.

Der Hochleistungsrechner LOEWE-CSC an der Universität Frankfurt

Status und Perspektiven 2012 25


FAIR – ein internationales Beschleunigerzentrum

für die Grundlagenforschung

Die Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)

ist weltweit eines der größten Projekte der Grundlagenforschung

in der laufenden Dekade. Ihre hochintensiven und hochenergetischen

Schwerionen- und Antiprotonenstrahlen bieten in

Verbindung mit modernsten Versuchseinrichtungen einzigartige

Experimentiermöglichkeiten auf den Gebieten der Hadronen-,

Kern-, Atom-, Plasma-, Bio- und Materialphysik.

Die Anlage besteht aus einem Doppelringbeschleuniger mit 1100

Metern Umfang, gefolgt von einem komplexen System von Speicheringen

und Experimentierstationen. Als Injektor dienen die

existierenden GSI-Beschleuniger. Die hochintensiven Ionenstrahlen

werden entweder direkt verwendet zur Erzeugung hochdichter

Plasmen und komprimierter Kernmaterie, oder zur Produktion

von intensiven Sekundärstrahlen aus exotischen Atomkernen

oder Antiprotonen. Ein besonderes Merkmal der Anlage ist der

effiziente Parallelbetrieb mehrerer Experimentprogramme durch

simultane Bereitstellung unterschiedlicher Strahlen aus dem

Doppelringbeschleuniger.

Das FAIR Projekt zielt ab auf die Untersuchung noch offener

Fragen zu fundamentalen Eigenschaften der Materie und der

Evolution des Universums. Neben grundlegenden neuen naturwissenschaftlichen

Erkenntnissen verspricht das FAIR-Projekt

Innovationen und Anwendungen in verschiedensten Bereichen

wie Materialforschung, Magnettechnologie, Energieerzeugung,

Strahlenbiologie und Strahlenschutz, Detektorbau, Elektronik,

Computer – und Informationstechnologie.

Aufgrund der herausragenden Forschungsmöglichkeiten wird

FAIR zu einem Anziehungsspunkt für Studenten und Wissenschaftler

aus aller Welt und leistet somit einen wichtigen Beitrag

zur Ausbildung des hochqualifizierten wissenschaftlichtechnischen

Nachwuchses. Durch den Einsatz neuester Technologien

– oft gemeinsam entwickelt mit industriellen Partnern – und die

Ausbildung zukünftiger Forscher- und Technikergenerationen

trägt das FAIR-Projekt zur nachhaltigen Stärkung des Wissenschafts-

und Technologiestandorts Deutschland bei.

26

Status und Perspektiven 2012


FAIR – ein internationales Beschleunigerzentrum für die Grundlagenforschung

Die FAIR GmbH wurde im Oktober 2010 gegründet. Die derzeitigen

Partnerländer – Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien,

Russland, Slowenien, Spanien und Schweden – tragen zusammen

etwa 30% der Gesamtkosten von 1.027 Milliarden Euro für die

FAIR Startversion.

Die Bauarbeiten beginnen im Frühjahr 2012 und sollen bis 2017

abgeschlossen sein sodass nach der Installation der Anlagen ab

2018 die Experimente in Betrieb genommen werden können.

p-LINAC

SIS100/300

UNILAC

SIS18

CBM

Das GSI Helmholtzzentrum für

Schwerionenforschung mit den

bereits existierenden Beschleunigern

100 m

UNILAC und SIS18 (blau).

Die geplante FAIR-Anlage mit dem

Doppelringbeschleuniger SIS100/300

und den verschiedenen Speicherringen

und Experimentieranlagen ist rot dargestellt.

Plasmaphysik

Atomphysik

HESR

PANDA

RESR/

CR

Produktion

seltener Isotope

Super-FRS

Produktion

von Antiprotonen

FLAIR

NESR

existierende Anlage

neue Anlage

Experimente

PANDA – Quarks und Hadronen

Die Untersuchung der Kräfte zwischen Quarks, den elementaren Bausteinen

der Materie, und die Struktur der Hadronen sind Schwerpunkt des

Forschungsprogramms mit hochenergetischen Antiprotonenstrahlen am

Experiment PANDA.

NuSTAR – Astrophysik und exotische Kerne

Im Rahmen des Programms NuSTAR werden die am Super-Fragmentseparator

erzeugten hochintensiven Sekundärstrahlen benutzt um die

Syn-these der chemischen Elemente im Kosmos und die Struktur

exotischer Atomkerne zu untersuchen.

CBM – hoch komprimierte Kernmaterie

Die Erforschung der Eigenschaften hochkomprimierter Kernmaterie, wie

sie im Zentrum einen Neutronensterns vorkommt, und die Suche nach

neuen Formen von Quarkmaterie werden mit hochintensiven Schwerionenstrahlen

am Experiment CBM durchgeführt.

APPA – Atom-, Plasma-, Bio- und Materialphysik

Die APPA-Kollaborationen nutzen die künftige FAIR-Anlage für ein

breites, interdisziplinär ausgerichtetes Forschungsprogramm, dass

die Gebiete der Atom-, Bio-, und Plasmaphysik und Materialforschung

umfasst. Fundamentale Fragestellungen beinhalten die Materie-Antimaterie-Asymmetrie

und elektromagnetische Wechselwirkungen im

extremen Feldbereich. Intensive Schwerionenstrahlen bieten einmalige

Möglichkeiten zur Erforschung neuer plasmaartiger Materiezustände.

Zudem werden Materialmodifikationen unter extremen Bedingungen

und die Wirkung hochenergetischer Ionenstrahlen auf biologisches

Gewebe untersucht.

Status und Perspektiven 2012 27


Methoden der Hadronen- und Kernphysik

in Wissenschaft, Medizin und Technik

Es gibt heute eine nahezu unüberschaubare Zahl von Bereichen,

in denen Analysemethoden und Verfahren unentbehrlich geworden

sind, die unmittelbar auf den Erkenntnissen der Hadronenund

Kernphysik beruhen. Die Einflüsse reichen von der Forschung

über Medizin und Technik bis hin zu Geschichts- und Kunstwissenschaft.

Die bedeutenden Fortschritte auf diesen Gebieten in

den letzten Jahrzehnten sind zu einem beträchtlichen Teil der

maßgeschneiderten Anwendung solcher Methoden zu verdanken.

Hier nur einige Beispiele: Aufklärung von Struktur und Dynamik

von Zellen mit Hilfe von radioaktiven Markern, quantitative

Analyse winziger Konzentrationen von Schadstoffen und Spurenelementen

mit beschleunigergestützter Massenspektroskopie,

exakte Datierung und Analyse von Objekten über Zeitspannen

von Milliarden von Jahren mit Hilfe radioaktiver Nuklide, Untersuchung

praktisch aller menschlichen Organe mit der Methode

der radioaktiven Dotierung, Anwendung revolutionierender bildgebender

Verfahren in der Medizin und Nanostrukturierung und

Modifikation von Werkstoffen.

Seit 2009 ist das Verfahren routinemäßig am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum

(HIT) im Einsatz. Dort lassen sich jährlich

etwa 1300 Patienten behandeln (Abbildung 2).

Abbildung 1: Das Prinzip der hochpräzisen Bestrahlung von Gehirntumoren

bei gleichzeitiger Schonung des gesunden Gewebes wurde

ursprünglich am GSI Helmholtzzentrum entwickelt.

Radionuklide und neue Diagnose- und

Therapiemethoden in der Medizin

Die Entwicklung maßgeschneiderter Radionuklide für die Untersuchung

praktisch aller menschlichen Organe ist eine kaum

zu überschätzende Hilfe für die medizinische Diagnostik. Neue

bildgebende Verfahren beruhen auf der direkten Visualisierung

kernphysikalischer Prozesse, wie die Positron-Emissions-Tomographie

(PET) und die Kernspin- oder Magnetresonanz-Tomographie

(MRT). Beide Verfahren sind aus der medizinischen Diagnostik

nicht mehr wegzudenken.

Für die Bestrahlung schwierig zu behandelnder Tumore werden

zunehmend Protonen und seit wenigen Jahren auch Kohlenstoff-

Ionen eingesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass diese Strahlen

ihre Energie unmittelbar im Tumor abgeben und umliegendes

Gewebe schonen. Hierfür muss der Strahl exakt den Tumor abrastern

und seine Energie variert werden. Diese Rastertechnik mit

Hilfe von Magnetfeldern haben Forscher am GSI Helmholtzzentrum

entwickelt (Abbildung 1). Hier wurden auch seit 1997 rund

440 Patienten mit Tumoren vorwiegend an der Schädelbasis mit

Kohlenstoff-Ionen bestrahlt.

Abbildung 2: Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum besitzt einen

fünf Meter langen Linearbeschleuniger und einen Ringbeschleuniger

mit 20 Meter Durchmesser. Daran schließen sich drei Behandlungsplätze

an. Die Beschleunigeranlage und die Bestrahlungstechnik haben Wissenschaftler

und Techniker der GSI entwickelt und gebaut.

Archäologie, Kulturgeschichte und Kunst

Die Kohlenstoff-14-Methode wird seit langer Zeit routinemäßig

genutzt, um das Alter abgestorbener, organischer Substanzen

innerhalb eines Zeitraums von vielen tausend Jahren präzise festzustellen

(Abbildung 3). Speziell die Entwicklung der Beschleuniger-Massenspektroskopie

ermöglicht es heute, kleinste Proben

zu analysieren und somit archäologische Objekte, Grabfunde wie

die Gletschermumie Ötzi, Kunstwerke oder kulturgeschichtlich

bedeutsame Objekte wie das Turiner Grabtuch zerstörungsfrei zu

datieren.

28

Status und Perspektiven 2012


Methoden der Hadronen- und Kernphysik in Wissenschaft, Medizin und Technik

Protonen- und Ionenstrahlen erlauben es, ohne Probenentnahme

Informationen über Materialien und deren chemische

Zusammensetzung zu erhalten. Durch die zerstörungsfreie Ionenstrahlanalyse

gelingt es zum Beispiel, Schichtabfolgen kunstgeschichtlicher

oder archäologischer Gegenstände zu identifizieren,

Kenntnis über verwendete Pigmente zu erhalten oder in

tieferen Lagen versteckte Strukturen sichtbar zu machen.

Abbildung 3: Zerstörungsfreie

Methoden zur Material- und

Isotopenanalyse ermöglichte die

zeitliche und örtliche Zuordnung

der Himmelsscheibe von Nebra,

einer etwa 3600 Jahre alten

Bronzeplatte mit Applikationen

aus Gold.

Simulation kosmischer Strahlung

Beschleunigeranlagen bieten zudem einzigartige Möglichkeiten

zur Simulation kosmischer Teilchenstrahlung. Während Weltraummissionen

sind strahlenempfindliche Komponenten und

elektronische Bauteile im Einsatz und müssen zuverlässig Datenmaterial

übertragen. In maßgeschneiderten Bestrahlungsexperimenten

im Labor werden diese Geräte mit Ionen beschossen, wie

sie in der kosmischen Strahlung vorkommen, und Funktionstests

unterzogen. Für die bemannte Raumfahrt sind zudem systematische

Untersuchungen an biologischen Zellen unverzichtbar, um

vorab Risiken und Strahlenschäden bei Langzeitmissionen abzuschätzen

(Abbildung 5).

Materialforschung und Festkörperphysik

Durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen (Protonen,

Neutronen, Ionen) lassen sich mikroskopische und makroskopische

Materialeigenschaften verändern. Deswegen sind Ionenstrahlverfahren

in unserer technologisch hochentwickelten Gesellschaft

nicht mehr wegzudenken und werden in zahlreichen

industriellen Bereichen routinemäßig eingesetzt. Sie sind insbesondere

unverzichtbar, um Materialien mit maßgeschneiderten

Eigenschaften herzustellen. Dazu gehört das Dotieren von

Halbleiterelementen, das Härten metallischer Werkstoffe oder

die hochpräzise Bearbeitung von Festkörperoberflächen. Ionenstrahlen

lassen sich sehr exakt ausrichten und ihre Energie genau

einstellen. Deshalb sind sie auch ein wichtiges Werkzeug zur Synthese

von Nanostrukturen für neuartige Anwendungen wie elektronische,

optische, optoelektronische oder sensorische Bauteile

(Abbildung 4).

Abbildung 4: Mit hochenergetischen

Ionenstrahlen hergestellte

metallische Mikrostruktur mit

integrierten Nanodrähten zur

möglichen Anwendung als

chemischer Sensor oder

Mikrokatalysator.

Abbildung 5: Astronauten sind abhängig von der einwandfreien

Funktion der Raumfahrttechnik. Durch kosmische Strahlung verursachte

Fehlfunktionen in Mikrochips können fatale Folgen haben. Am GSI

Helmholtzzentrum werden mikroelektronische Bauteile mit Ionenstrahlen

getestet, deren Zusammensetzung und Energien.

Geowissenschaften, Umweltphysik und

Klimaforschung

Das Alter von Gesteinen, Sedimenten, Meteoriten und der Erde

selbst kann mit Hilfe langlebiger radioaktiver Nuklide präzise bestimmt

werden. Erosionsraten sowie Vorgänge in der Atmosphäre

lassen sich durch die Analyse spezifischer Radionuklide wie Beryllium-10,

Aluminium-26, Mangan-53 und vieler anderer über einen

weiten Zeitbereich abklären.

Die hochempfindliche Technik der Beschleuniger-Massenspektroskopie

erlaubt es, winzige Konzentrationen von Spurenelementen

oder Schadstoffmolekülen in Erde, Wasser und Atmosphäre

nachzuweisen bis weit unter eine relative Konzentration von 10-15

(ein Atom oder Molekül auf eine Trillion). Das entspricht etwa der

Fähigkeit, einen Tischtennisball im Bodensee aufzuspüren.

Für die Klimadiskussion sind Erkenntnisse, die mit kernphysikalischen

Methoden gewonnen werden, ganz wesentlich. In mächtigen

Eisbohrkernen der Arktis und Antarktis wird aus dem Isotopenverhältnis

von Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 die mittlere

Jahrestemperatur über einen Bereich von vielen tausend Jahren

genau analysiert. Die Daten erlauben es unter anderem auch,

langfristige Änderungen der Sonneneinstrahlung und deren

mögliche Auswirkung auf das Klima der Erde in der Vergangenheit

festzustellen.

Status und Perspektiven 2012 29


Ausbildung in der Hadronen- und Kernphysik

In Deutschland sind auf dem Gebiet der Hadronen- und

Kernphysik etwa … Diplomanden, … Doktoranden und

Nachwuchswissenschaftler tätig (Zahlen werden noch ermittelt).

Die Ausbildung im Bereich der Hadronen- und Kernphysik zeichnet

sich durch eine außerordentliche Breite aus und qualifiziert

daher die Studierenden für viele Gebiete außerhalb der Grundlagenforschung.

Junge Experimentalphysiker entwickeln zum Beispiel

neue Detektoren und Beschleunigerkomponenten und sind

an deren Aufbau und Betrieb beteiligt. Hierbei kommt oft moderne

Mikroelektronik zum Einsatz, die in enger Zusammenarbeit mit

der Industrie entwickelt wird.

Ein weiteres Tätigkeitsfeld ist die Entwicklung von Hardware und

Software zur Steuerung von großen Datenflüssen, Datenreduktion

und Datenverteilung. Im Softwarebereich umfasst die Ausbildung

die Erstellung und Bearbeitung großer Programmpakete

zur Durchführung umfangreicher Computersimulationen, zur

Online-Datenaufnahme und Datenauswertung.

Die theoretische Forschung basiert zunehmend auf dem Einsatz

von superschnellen Hochleistungsrechnern. Für spezielle Anwendungen

werden große Prozessornetzwerke zum Teil von Physikern

selbst entwickelt. Dies erfordert ebenfalls die Entwicklung

von Algorithmen und Computerprogrammen die an die modernen

Rechnerarchitekturen angepasst sind.

Zusätzliche Qualifikationen im Bereich Kommunikation und Organisation

erwerben sich die Nachwuchswissenschaftler durch die

Arbeit an Großprojekten die von internationalen Kollaborationen

durchgeführt werden. Dies erfordert Durchsetzungsvermögen

gepaart mit Teamgeist, und fördert Kenntnisse in Projektmanagement,

Kommunikation und Präsentation in Fremdsprachen, auch

auf internationalen Konferenzen. Dieses breite Spektrum an Qualifikationen

eröffnet sehr gute Berufs- und Karrieremöglichkeiten in

Forschung und Lehre, Industrie und Handel, Energie und Verkehr,

Medizintechnik und Telekommunikation, bis hin zu Banken, Versicherungen

und Unternehmensberatungen.

Um Jugendliche für Naturwissenschaften zu begeistern und

Nachwuchs für die Hadronen- und Kernphysik zu gewinnen ornanisieren

viele Institute Tage der Forschung, Schülerlabore und

Studentenprogramme.

30

Status und Perspektiven 2012


Impressum

Herausgeber:

Komitee für Hadronen- und Kernphysik (KHuK)

Erscheinungsdatum:

Januar 2012

Internet:

http://www.khuk.de

Kontakt:

Peter Senger (Vorsitzender des KHuK)

Telefon: 06159 712652

E-Mail: p.senger@gsi.de

Redaktion:

P. Senger

Beiträge von: R. Beck, K. Blaum, T. Bührke,

C. Greiner, K. Langanke, M.F.M. Lutz, U. Ratzinger,

J. Ritman, P. Senger, T. Stöhlker, J. Wambach,

J. Wessels, C. Weinheimer,

Fotos und Abbildungen:

Gabriele Otto/Achim Zschau (GSI),

ALICE-Kollaboration,

Institut für Kernphysik/Universität Mainz,

NASA, CERN, Universität Bonn, FZ Jülich

Grafiken:

GSI, Ingenieurbüro Bung

Layout, Satz und Produktion:

shapeNerds – Agentur für Werbung und Design

Schäfer und Ravensberger GbR

Druck:

Status und Perspektiven 2012 31

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