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Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1.

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1 Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1

2 Facility for Antiproton and Ion Research Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 2

3 UNILAC SIS18 SIS100/300 p-Linac HESR CR & RESR NESR CryRing 100 m FAIR-Beschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 3 Grundlagenforschung o Kern- und Teilchenphysik o Astrophysik o Atomphysik o Plasmaphysik Grundlagenforschung o Kern- und Teilchenphysik o Astrophysik o Atomphysik o Plasmaphysik Angewandte Forschung o Materialwissenschaften o Biophysik/Medizin o Weltraumforschung Angewandte Forschung o Materialwissenschaften o Biophysik/Medizin o Weltraumforschung FAIR-Eigenschaften o Derzeit größtest Projekt der Kern- und Teilchenphysik (> 1 Milliarde Invest.mittel) o Kompakte Bauweise durch Ringbeschleuniger o Millionenfache Nutzung des Strahls in Speicherringen FAIR-Eigenschaften o Derzeit größtest Projekt der Kern- und Teilchenphysik (> 1 Milliarde Invest.mittel) o Kompakte Bauweise durch Ringbeschleuniger o Millionenfache Nutzung des Strahls in Speicherringen Hochtechnologie-Entwicklung o Effiziente, schnelle Teilchenbeschleuniger o Hochauflösende Magnetspektrometer o Empfindliche Licht- und Teilchen- Detektoren o Hochvakuum-Technologie o Schnelle elektronische Datenerfassung o Energie-effiziente Computertechnologie Hochtechnologie-Entwicklung o Effiziente, schnelle Teilchenbeschleuniger o Hochauflösende Magnetspektrometer o Empfindliche Licht- und Teilchen- Detektoren o Hochvakuum-Technologie o Schnelle elektronische Datenerfassung o Energie-effiziente Computertechnologie

4 Schnelle Beschleunigung Ferrit & MA Kavitäten Großer Gradient, variable Frequenz Kompakt & kosteneffektiv Supraleitende Magnete dB/dt ~ 4T/s Hohe Strahlqualität Elektronen & stochastische Kühlung XHV @ Hoher Strahlintensität Hochvakuum ~10 -13 mbar Beschleuniger Günther Rosner4 Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12

5 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 Skalen des Universums Materie 10 -1 m Kristall 10 -9 m Atom 10 -10 m Atomkern 10 -14 m Nukleon 10 -15 m DNA 10 -8 m Quarks < 10 -18 m Galaxie 10 21 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 m Sterne, Planeten 10 8 m 5

6 Elementare Bausteine Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 6

7 Rätsel I 1)Vakuumenergie des Mikrokosmos unterscheidet sich um ca. 10 120 von der des Makrokosmos. 2)Unser Universum enthält nur Teilchen, keine Antiteilchen. 3)Neutrinos sind nicht masselos. 4)Elementare Bausteine besitzen extrem unterschiedliche Massen. Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 7

8 Rätsel II 5)Quarks kommen nicht in freier Natur vor. Sie sind in stark wechselwirkenden, nicht elementaren Teilchen (Hadronen) zu zweit oder dritt eingesperrt. Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 8 ud u Proton (p) 938 MeV/c 2 ud d Neutron (n) 939 MeV/c 2 u d π- 140 MeV/c 2 BaryonenMesonen

9 Rätsel III 6)Normale (schwere) Materie besteht aus fast masselosen up und down Quarks. 99% der Masse des sichtbaren Universums ist eigentlich Energie! Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 9

10 Quanten-Chromo-Dynamik Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 10 QED: QCD:

11 Aufbau der (Quanten-) Materie Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 11 LHC @ CERN FAIR

12 FAIR-Experimente: PANDA Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 12 PANDA

13 Exotische Hadronen Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 13 PANDA @ FAIR

14 Anti-Proton Annihilation @ DA Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 14 PANDA

15 Exotische Mesonen Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 15 QCD Gitterrechnungen

16 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. Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 16 Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509 Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043

17 FAIR-Experimente: CBM Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 17 CBM

18 Hadronen in Kernen Vorhersage: Änderung der Hadronenmasse o aufgrund partieller Wiederherstellung der Chiralen Symmetrie Leichte Quarks sensitiv auf Quark- Kondensat im Vakuum Mesonen mit schwereren Quarks sensitiv auf Gluonen-Kondensat Spontane Symmetriebrechung Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 18 Vakuum Kern K 25 MeV 100 MeV K+K+ K Hayaski, PLB 487 (2000) 96 Morath, Lee, Weise, priv. Comm. D 50 MeV D D+D+

19 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 19

20 Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 20

21 Hohe Baryonendichte @ CBM Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 21

22 Diagnostische Sonden der dichten Phase Bisher keine Messung bei FAIR Energien

23 FAIR-Experimente: NuSTAR Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 23 NuSTAR Super- FRS

24 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 FRS und Super-FRS im Vergleich FRS Super-FRS 150m 24

25 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 Nuklidkarte 25

26 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 Elementsynthese in Sternen Anzahl der Neutronen Anzahl der Protonen Terra Incognita Fe Pfad der Elementsynthese in Sternexplosionen (Supernova) r-Prozess rp-Prozess 26

27 NuSTAR Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 27

28 FAIR-Experimente: APPA Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 28 APPA

29 Plasmen Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 29 Teilchen / cm 3 Temperature [eV] Jupiter Laser Heating Sun Surface Magnetic Fusion solid state density PHELIX Sun Core Inertial Fusion Energy XFEL SIS 18 Ion Beam Heating SIS 100 Strongly coupled plasmas Ideal plasmas FLASH

30 Große elektromagnetische Felder Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 30 10 -15 s Pulse Laser (adapted from Mourou, Tajima, Bulanov, RMP 78, 2006) Schwerionen 10 -21 s Pulse entspricht I 10 28 W/cm 2

31 Paritätsverletzung Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 31 Mischung zwischen Zuständen entgegengesetzter Parität: Energy levels of He-like uranium 2E1 (PNC) NNNN eeee eeee NNNN Kleine Energiedifferenz!

32 Nuklearmedizin Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 32 Kleinzelliges Lungenkarzinom 12 C Therapie @ GSI Adenoid-zystisches Karzinom

33 ESA @ GSI & FAIR Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 33 Durante & Cucinotta, Nature Rev. Cancer (2008)

34 Modularisierte Startversion Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 34 APPA CBM/HADES NuSTAR PANDA Experimente M1: APPA M1: CBM/HADES M2: NuSTAR M3: PANDA M0 M1 M2 M3

35 Zeitlicher Ablauf Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 35 201220112013 201620152014 6 Bauanträge Baustelleneinrichtung Ausschreibungen Bau Bau der Beschleuniger- und Detektorkomponenten Fertigstellung Rohbau Installation Beschleuniger und Detektoren Datennahme 7 10 8 2017 20182019 12 6 7 8 9 11 12 10 11 9

36 Probebohrungen 31.8.11 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 36

37 Baufeldfreimachung 6.12.11 Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 37

38 Vielen Dank! Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 38


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