Die Forscher, die in einem Vorort von Darmstadt nach neuen Teilchen und chemischen Elementen suchen, sind Weltspitze. Nun erhalten sie ein noch besseres Werkzeug für ihre Hatz auf die exotische Materie.
Im Nordosten von Darmstadt, am Rand des Stadtteils Wixhausen, breiten sich üppige Wälder und schattige Bachauen aus. Mittendrin gehen Wissenschaftler auf die Pirsch. In den im dichten Grün versteckten Experimentierhallen der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) jagen sie Ionen – elektrisch geladene Atomkerne – im Kreis herum und beschleunigen die Teilchen dabei. Am Ende ihrer Karussellfahrt donnern die Atomkerne gegeneinander. In den Überbleibseln solcher Kernreaktionen bildet sich für einen kurzen Moment eine extrem dichte Form der Materie. Darin suchen die Physiker nach neuen, exotischen Teilchen und Kernen. Auf diese Weise gelang es ihnen in den letzten 20 Jahren, sechs bis dahin unbekannte chemische Elemente erstmals im Labor zu erzeugen. Deren Entdeckung ist für die Physiker von grundlegender Bedeutung, da sie hilft, den Aufbau und die Kräfte im Inneren von Atomkernen zu verstehen.
Nun wollen die Wissenschaftler das Spektrum ihrer Forschungsprojekte noch erweitern – mit einem gewaltigen neuen Beschleuniger, der bis 2014 direkt neben der bisherigen Anlage entstehen soll. Voraussichtlich im Herbst 2007 wird der Bau der Anlage beginnen. 2012 soll sie ihren Betrieb für erste Experimente aufnehmen, bis 2015, so die Pläne, wird sie fertiggestellt sein.
Herzstück ist ein doppelter Ringbeschleuniger von 1100 Meter Umfang. In ihm sollen verschiedene Arten von Ionen mit Energie vollgepumpt und dann zur Kollision gebracht werden. Auch Antiprotonen lassen sich beschleunigen. In den Versuchen an der Maschine soll es darum gehen, Rätseln über den Aufbau der Materie auf den Grund zu gehen. So wissen die Physiker zwar schon lange, dass Protonen und Neutronen – die Bausteine der Atomkerne – aus noch kleineren Teilchen, den so genannten Quarks, aufgebaut sind. Je drei dieser Partikel bilden ein Proton oder Neutron. Myonen bestehen aus einem Quark-Antiquark-Paar. Doch bisher ist es nicht gelungen, einzelne Quarks zu finden. Offenbar treten sie nie als isolierte Partikel auf, sondern sind immer in Gruppen von mehreren Partikeln miteinander verbunden. Warum das so ist, möchten die Physiker genau verstehen. Die neue Anlage könnte Licht in das Dunkel dieses „Quark-Confinements” bringen – und auch erhellen, warum Protonen und Neutronen viel schwerer sind als ihre Bausteine. Addiert man nämlich die Massen der in einem Proton enthaltenen Quarks, erhält man als Summe nur wenige Prozent der tatsächlichen Protonenmasse. Wo kommt die zusätzliche Masse her? Auch darauf haben die Physiker bisher keine Antwort.
„Vielleicht werden wir zudem auf völlig neue Arten von Teilchen stoßen, die aus mehr als drei Quarks bestehen”, vermutet Klaus-Dieter Groß, Koordinator für wissenschaftliche Angelegenheiten bei der GSI. „Die Theorie schließt die Existenz solcher Partikel nicht aus, doch bisher hat man sie noch nie beobachtet.”
Rund 1,2 Milliarden Euro wird FAIR kosten – 65 Prozent davon bezahlt der Bund, 10 Prozent das Land Hessen, für die übrigen 25 Prozent sollen ausländische Partner aufkommen. 2500 Wissenschaftler aus aller Welt sollen FAIR vor allem nutzen, um das physikalische Weltbild um grundlegende Erkenntnisse zu bereichern. Daneben soll die Anlage aber auch neue Anwendungen von Ionenstrahlen erschließen – etwa zur Erforschung der Trägheitsfusion. „Das ist ein alternativer Weg zur Verschmelzung von Atomkernen, durch die künftig Energie gewonnen werden könnte” , erklärt Groß. Dabei wird die Fusion der Kerne in Gang gesetzt, indem man zunächst energiereiche Ionen auf ein Material schießt. „ Dieses verwandelt sich dadurch in ein Plasma, das so stark erhitzt und komprimiert wird, dass man durch einen Laserpuls die Verschmelzung der Kerne zünden kann”, sagt Groß.
Auch die Raumfahrt könnte vom Beschleuniger in Wixhausen profitieren: Mit den Ionen aus der Anlage wird sich untersuchen lassen, welche Auswirkungen die energiereichen Anteile der kosmischen Strahlung auf den menschlichen Körper haben. Darüber weiß man kaum etwas, obwohl sie die Gesundheit der Astronauten durchaus gefährden könnten. ■
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Anlage: Beschleuniger für Ionen und Antiprotonen
Ziele: Erforschung der Entwicklung des Universums und des Aufbaus der Materie
Ort: GSI, Darmstadt (Deutschland)
Dimension: Beschleunigerring mit 1,1 Kilometer Umfang
Besonderheit: liefert Ionenstrahlen mit sehr hoher Intensität
Inbetriebnahme: ab 2012, komplett 2015 (Baubeginn 2007)
Baukosten: 1,2 Milliarden Euro
beteiligt: Deutschland, bislang 12 ausländische Partner
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Mithilfe von FAIR wollen die Physiker die Ursuppe des Universums nachbilden. Wenige Sekunden nach dem Urknall bestand die Materie des Kosmos aus einem extrem heißen und dichten Brei von Quarks und anderen Elementarteilchen. Erst später bildeten sich daraus Protonen und Neutronen sowie Atomkerne, Atome und Moleküle. Dieser Schritt soll in dem Beschleuniger in umgekehrter Richtung nachvollzogen werden: Durch den gewaltigen Druck und die Energie beim Zusammenstoß von schweren Atomkernen werden sich vielleicht aus gewöhnlichen Kernbausteinen wieder exotische Materieformen bilden – zum Beispiel ein Quark-Gluonen-Plasma. In diesem urzeitlichen Materiebrei tummeln sich freie Quarks und Gluonen, die Überträgerteilchen der „Starken Kraft”. Die Grafik zeigt das Modell einer Versuchsanlage für diese Experimente.
