Reise ins Innerste der Materie

Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage

Günther RosnerWissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,

15.2.121

Facility for Antiproton and Ion Research

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UNILAC

SIS18

SIS100/300

p-Linac

HESR

CR &RESR

NESR CryRing

100 m

FAIR-Beschleunigeranlage

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Grundlagenforschungo Kern- und Teilchenphysiko Astrophysiko Atomphysiko Plasmaphysik

Grundlagenforschungo Kern- und Teilchenphysiko Astrophysiko Atomphysiko Plasmaphysik

Angewandte Forschungo Materialwissenschafteno Biophysik/Medizino Weltraumforschung

Angewandte Forschungo Materialwissenschafteno Biophysik/Medizino Weltraumforschung

FAIR-Eigenschafteno Derzeit größtest Projekt

der Kern- und Teilchenphysik(> 1 Milliarde € Invest.mittel)

o Kompakte Bauweise durchRingbeschleuniger

o Millionenfache Nutzungdes Strahls in Speicherringen

FAIR-Eigenschafteno Derzeit größtest Projekt

der Kern- und Teilchenphysik(> 1 Milliarde € Invest.mittel)

o Kompakte Bauweise durchRingbeschleuniger

o Millionenfache Nutzungdes Strahls in Speicherringen

Hochtechnologie-Entwicklungo Effiziente, schnelle

Teilchenbeschleunigero Hochauflösende

Magnetspektrometero Empfindliche Licht- und Teilchen-

Detektoreno Hochvakuum-Technologieo Schnelle elektronische

Datenerfassungo Energie-effiziente

Computertechnologie

Hochtechnologie-Entwicklungo Effiziente, schnelle

Teilchenbeschleunigero Hochauflösende

Magnetspektrometero Empfindliche Licht- und Teilchen-

Detektoreno Hochvakuum-Technologieo Schnelle elektronische

Datenerfassungo Energie-effiziente

Computertechnologie

Schnelle BeschleunigungFerrit & MA Kavitäten

Großer Gradient, variable Frequenz

Kompakt & kosteneffektivSupraleitende Magnete

dB/dt ~ 4T/s

Hohe StrahlqualitätElektronen & stochastische Kühlung

XHV @ Hoher StrahlintensitätHochvakuum ~10-13 mbar

Beschleuniger

Günther Rosner 4Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12

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Skalen des Universums

Materie10-1 m

Kristall10-9 m

Atom10-10 m

Atomkern10-14 mNukleon

10-15 m

DNA10-8 m

Quarks < 10-18 m

Galaxie1021 m

1.000.000.000.000.000.000.000 m

1 m

0,000.000.01 m

0,000.000.000.1 m

0,000.000.000.000.01 m

0,000.000.000.000.000.001 m

100.000.000 mSterne, Planeten108 m

5

Elementare Bausteine

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Rätsel I1) Vakuumenergie des Mikrokosmos unterscheidet

sich um ca. 10120 von der des Makrokosmos.2) Unser Universum enthält nur Teilchen, keine

Antiteilchen.3) Neutrinos sind nicht masselos.4) Elementare Bausteine besitzen extrem

unterschiedliche Massen.

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Rätsel II5) Quarks kommen nicht in freier Natur vor. Sie sind in

stark wechselwirkenden, nicht elementaren Teilchen (Hadronen) zu zweit oder dritt eingesperrt.

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u d

u

Proton (p)938 MeV/c2

u d

d

Neutron (n)939 MeV/c2

ud

π- 140 MeV/c2

Baryonen Mesonen

Rätsel III6) Normale (schwere) Materie besteht aus fast

masselosen „up“ und „down“ Quarks.

99% der Masse des sichtbaren Universums ist eigentlich Energie!

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Quanten-Chromo-Dynamik

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QED:

QCD:

Aufbau der (Quanten-) Materie

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LHC @ CERN

FAIR

FAIR-Experimente: PANDA

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PANDA

Exotische Hadronen

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PANDA @ FAIRPANDA @ FAIR

Anti-Proton Annihilation @ DA

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PANDA

Exotische Mesonen

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QCD Gitterrechnungen

Schwere Energiebälle• Exotische “Gluebälle”,

(Oddballs) mit für normale Mesonen verbotenen Quantenzahlen– m(2+-) = 4.140 GeV– m(0+-) = 4.740 GeV

• Lange Lebensdauern von QCD-Gitterrechnungen vorhergesagt.

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Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043

FAIR-Experimente: CBM

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CBM

Hadronen in Kernen• Vorhersage: Änderung der

Hadronenmasseo aufgrund partieller

Wiederherstellung der Chiralen Symmetrie Leichte Quarks sensitiv auf Quark-

Kondensat im Vakuum Mesonen mit schwereren Quarks

sensitiv auf Gluonen-Kondensat

Spontane Symmetriebrechung

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Vakuum Kern

K

25 MeV

100 MeV

K+

K

Hayaski, PLB 487 (2000) 96Morath, Lee, Weise, priv. Comm.

D50 MeV

D

D+

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Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie

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Hohe Baryonendichte @ CBM

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Diagnostische Sonden der dichten Phase

Bisher keine Messung bei FAIR Energien

FAIR-Experimente: NuSTAR

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NuSTAR

Super-FRS

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FRS und Super-FRS im Vergleich

FRS

Super-FRS

150m

24

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Nuklidkarte

25

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Elementsynthese in Sternen

Anzahl der Neutronen

An

zah

l d

er

Pro

ton

en

Terra Incognita

Terra Incognita

Terra Incognita

FePfad der Elementsynthese inSternexplosionen (Supernova)

r-Prozessrp-P

rozess

26

NuSTAR

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FAIR-Experimente: APPA

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APPA

Plasmen

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Teilchen / cm3

Tem

per

atu

re [

eV]

Jupiter

LaserHeating

Sun Surface

Magnetic Fusion

solid statedensity

PHELIX

Sun Core

Inertial Fusion Energy

XFEL

SIS 18

Ion BeamHeating

SIS 100

Strongly coupled

plasmasIdeal plasmas

FLASH

Große elektromagnetische Felder

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10-15 s Pulse

Laser

(adapted from Mourou, Tajima, Bulanov, RMP 78, 2006)

Schwerionen

10-21 s Pulse

entsprichtI ≥ 1028 W/cm2

Paritätsverletzung

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PS

PNWFS

EE

QG

522/

Mischung zwischen Zuständen entgegengesetzter Parität:

Energy levels of He-like uranium

2E1 (PNC)

NN

ee

ee

NN

Kleine Energiedifferenz!

Nuklearmedizin

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Kleinzelliges Lungenkarzinom

12C Therapie

@ GSI

Adenoid-zystisches Karzinom

ESA @ GSI & FAIR

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GCR Charge Contributions

Charge Number

0 5 10 15 20 25 30

% C

ontr

ibut

ion

0.001

0.01

0.1

1

10

100

FluenceDoseDose Eq.

Free Space

Durante & Cucinotta, Nature Rev. Cancer (2008)

Modularisierte Startversion

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APPA

CBM/HADES

NuSTAR

PANDAExperimenteM1: APPAM1: CBM/HADESM2: NuSTARM3: PANDA

M0

M1

M2M3

M3

Zeitlicher Ablauf

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20122011 2013 201620152014

6

Bauanträge

Baustelleneinrichtung

Ausschreibungen Bau

Bau der Beschleuniger- und Detektorkomponenten

Fertigstellung Rohbau

Installation Beschleuniger und Detektoren

Datennahme

7 108

2017 2018 2019

12

6

7

8

9

11

12

10

119

Probebohrungen 31.8.11

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Baufeldfreimachung 6.12.11

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Vielen Dank!

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