Forschung 16.11.2007, 19:31 Uhr

Die Geburtsstunde des Universums verstehen

VDI nachrichten, Darmstadt, 16. 11. 07, ber – Bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt ist der Startschuss für den Bau eines der größten Beschleunigerzentren weltweit gefallen. FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) soll völlig neuartige Experimente bei der Erforschung der Materie ermöglichen. 15 Länder sind an dem 1,2 Mrd. € teuren Projekt beteiligt. Erste Experimente sollen ab 2012 möglich, in acht Jahren das neue Forschungszentrum vollständig betriebsbereit sein.

Exzellentes Beispiel für eine gelungene internationale Zusammenarbeit im Bereich der Grundlagenforschung ist FAIR“, betonte Bundesforschungsministerin Annette Schavan beim Projektstart in Darmstadt. Ihr Ressort übernimmt 65 % der Gesamtkosten, das Land Hessen 10 % und die übrigen beteiligten Länder, darunter Russland, China, Indien, Frankreich und Großbritannien, die restlichen 25 %. Durch FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) werde Darmstadt zu einem starken Magneten für hervorragende Wissenschaft. „Spitzengeräte“, so Schavan, „locken auch Spitzenforscher an.“

Bis heute haben sich bereits 300 wissenschaftliche Institute und Universitäten aus 47 Ländern an der Planung des neuen Doppelringbeschleunigers beteiligt. Rund 2500 Wissenschaftler aus aller Welt, darunter 600 bis 800 Doktoranden, sollen jährlich künftig bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) forschen.

„Jetzt, wo endlich klar ist, dass FAIR gebaut wird, klopfen immer mehr Länder an die Tür“, erklärte der wissenschaftliche Geschäftsführer der GSI, Horst Stöcker.

Hundert bis tausend Mal mehr Antiprotonen und Ionen pro Sekunde können mit FAIR erzeugt werden als bislang. Damit hat der Teilchenstrahl eine noch nicht da gewesene Intensität. Experimente können wesentlich schneller durchgeführt werden. Der 1,1 km lange Beschleunigerring liegt 20 m unter der Erde. Hier herrscht ein extremer negativer Überdruck von einem Milliardstel bar. Mehr als 1000 Pumpen führen die Luft ab. „Die Bedingungen sind so wie außerhalb der Erdatmosphäre“, erklärte dazu Stöcker.

An das Herzstück der Anlage schließt sich ein System von Speicherringen und Experimentierstationen an. Die bereits bestehenden GSI-Beschleuniger „Unilac“ und „SIS“ übernehmen die Funktion von Vorbeschleunigern.

Am Ende rasen die Teilchen mit 99 % der Lichtgeschwindigkeit – dies sind laut Stöcker rund 300 000 s-1 – im Kreis. Die hohe Leistungsfähigkeit und Qualität der Teilchen mache es möglich, mehrere große physikalische Experimente gleichzeitig durchzuführen.

„Wir gehen in völlig neue Dimensionen“, betonte der GSI-Geschäftsführer. „Dies ist ein Labor, in dem man die Physik des Universums nachbilden kann.“

Anders als im Genfer Beschleunigerzentrum „CERN“, wo Wissenschaftler versuchen, den Urknall selbst nachzustellen, und wo im Jahr 1995 das erste Antiwasserstoffatom erzeugt wurde, wollen die Forscher in Darmstadt herausfinden, was in den ersten Minuten nach dem großen Knall passiert ist.

Unzählig viel Materie und Antimaterie, also Teilchen, bei denen die elektronische Ladung praktisch vertauscht ist, sind in der Geburtsstunde des Universums entstanden. Zu jedem Materiebaustein gab es einen Antimateriepartner, der heute nicht mehr existiert.

Warum bis auf winzige Reste nur die Materieteilchen durchgekommen sind, ist eine der vielen offenen Fragen in der Kernphysik. Deswegen wollen die Wissenschaftler in Darmstadt nicht nur Antimaterie wie Antiwasserstoff, Antihelium und Antilithium erzeugen, sondern sie auch in einer Art magnetischen Falle fangen.

Erstmals soll es dann möglich sein, diese Teilchen zu beobachten und zu beschreiben. Erforscht werden sollen auch neue Formen wie die so genannte Dunkle Materie, eine Masse, die zwar keine elektromagnetische Strahlung aussendet, aber 90 % der Materie im Universum ausmacht.

Die Experimente an FAIR sollen zudem bislang ungelöste Rätsel beim Aufbau von Atomkernen lösen und etwa Antworten auf die Frage geben, warum die Grundelemente von Protonen und Neutronen, die Quarks, nie isoliert vorkommen, warum die Elementarmasse der Quarks leichter ist als die Atomkerne selbst und wie die Starke Kraft, die die Atomkerne zusammen hält, zwischen den Quarks und zwischen den Nukleonen funktioniert.

Auch die physikalischen Reaktionen, die bei einer Supernova ablaufen, bei der nach heutigem Wissen alle chemischen Elemente entstanden sind, sollen im FAIR-Beschleuniger simuliert werden. Sechs neue Elemente haben die Forscher der GSI seit den sechziger Jahren entdeckt. Nun wollen sie sich auf die Suche machen nach seltenen Isotopen von Elementen, die wie Gold, Blei oder Uran schwerer sind als Eisen und ausschließlich bei einer Supernova entstehen. 20 000 °C bis 50 000 °C heiß sind nach Worten von Stöcker die Plasmen, die ebenfalls mit Hilfe von FAIR untersucht werden sollen. Immerhin 99 % der Materie im Kosmos sind nicht flüssig, gasförmig oder fest, sondern existieren als Plasma.

Der Kern der Sonne etwa besteht aus einem Fusionsplasma aus Wasserstoff und Helium. Plasmen können mit Hilfe von hochintensiven Ionen- oder Laserstrahlen produziert werden. Der neue Teilchenbeschleuniger in Darmstadt soll nun in Sphären vordringen, die mit dem Inneren des Jupiter vergleichbar sind. Sollte die künstliche Erzeugung zum Beispiel von Wasserstoff-Helium-Fusionen im Labor gelingen, würde dies bereits über die Grundlagenforschung hinaus zu neuen Wegen in der Energieerzeugung weisen.

Impulse für technische Neuentwicklungen und Anwendungen erwarten die Forscher zudem in der Festkörperphysik und Materialforschung. Und nicht zuletzt die Raumfahrt wird nach Überzeugung der Experten von den Forschungsarbeiten im neuen Beschleunigerzentrum profitieren – zum Beispiel, wenn es darum geht, das Strahlenrisiko von Astronauten genauer einzuschätzen. JUTTA WITTE

Antimaterie wird in einer magnetischen Falle gefangen

Von Jutta Witte

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