Spannende Pläne für die Zukunft der Physik: FAIR Facility for Antiproton and Ion Research Klaus Goeke Theoretische Hadronen-Physik Ruhr-Universität Bochum

FAIR an der GSI-Darmstadt

Welt der Physik: heute

Welt der Physik: Entwicklung des Universums Hier muss Bild hin mit Universum und Entwicklung von links nach rechts

Fundamentale Fragen Helle Materie Dunkle Materie Dunkle Energie

Fundamentale Fragen FAIR LHC Helle Materie Dunkle Materie Baryonen Atomkerne, Quarks: strange, charm Struktur der Materie, Entstehung Materie unter extremen Bedingungen, QGP Ursprung der Masse, Rolle der Quarks Dunkle Materie Existenz im Universum indirekt gezeigt Natur der DM-Teilchen unbekannt Dunkle Energie Existenz im Universum generell akzeptiert Physikalischer Ursprung unbekannt FAIR LHC Beobachtung Theorie

FAIR Gewinnfaktoren Spez. Eigenschaften Strahlen: Schnelle hochgeladene Atomkerne (Ionen) FAIR Gewinnfaktoren Primärstrahlintensitäten: Faktor 100 – 1000 Sekundärstrahlintensitäten für kurzlebige Kerne: bis zu einem Faktor 10 000 Ionenenergie: Faktor 15 Spez. Eigenschaften Sekundärstrahlen: Strahlen aus radioaktiven Reaktionsprodukten Intensive energiescharfe Strahlen kurzlebiger Kerne Energiescharfe Antiprotonen- strahlen bis zu 15 GeV Interne Targets für Experi- mente hoher Luminosität Strahlen aus Anti-Protonen

Atom Atomkern Relativistische Quantenfeld-Theorie mit Punkt-Teilchen Quarks: Quanten Chromodynamik

Nukleon: Quarks und Gluonen Proton: up up down Gluonen: Quanten der starken Wechselwirkung Neutron: up down down Quarks: up down strange charm bottom top

Kraft zwischen geladenen Teilchen Erice 2004

Asymptotische Freiheit Confinement Erice 2004

Confinement Asymptotische Freiheit Kraft zwischen zwei Quarks: 150000 N ~15 t Confinement Erice 2004

Stabile hadronische Systeme Gibt es „exotische“ Systeme? 6 Quarks, reine Gluon-bälle ?? 3-Quark-Systeme: Baryonen: p, n, L, S Quark-Antiquark- Systeme: Mesonen: p, K existiert nicht existiert nicht

Glue-Bälle und Hybride Graviton -Bälle ?? Crystal-Barrel: Hybride wurden mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits entdeckt FAIR wird in großem Stil diese Objekte suchen und untersuchen Proton-Antiproton Kollisionen

Theta+: Pentaquark-Teilchen Theta+: uudds Proton: uud 1997: In St.Petersburg/Bochum vorausgesagt (Soliton) 2002: 11 große Beschleuniger in Japan, Russland, USA, Deutschland etc. haben das Pentaquark identifiziert 2004: 8 große Beschleuniger in USA und Deutschland haben das Pentaquark nicht gefunden Wenn existiert  FAIR: Proton-Antiproton-Kollsionen

Struktur des Nukleons

Masse Nukleon Wechsel- wirkungsenergie Masse des Nukleons Masse Nukleon 1000 MeV 350 MeV 350 MeV Masse 5-10 MeV 350 MeV Gluon: Masselos Masse Nukleon Wechsel- wirkungsenergie

Masse des Universums Die Masse der hellen Materie im Universum stammt her von der Wechselwirkungs-energie der Gluonen und Quarks

Masse des Universums Quanten Chromodynamik FAIR Die Masse der hellen Materie im Universum stammt her von der Wechselwirkungs-energie der Gluonen und Quarks Quanten Chromodynamik FAIR

Forschung mit Antiprotonen HESR PANDA High-Energy Storage Ring (HESR) with detector PANDA

Quarks: up down strange charm bottom top Charmonium-Spektrum Quarks: up down strange charm bottom top

Hyper-Kerne mit „strange“ Baryonen Quarks: up down strange charm bottom top Atomkern mit zwei L-Teilchen, oder zwei strange Quarks

Hyper-Kerne mit „strange“ Baryonen Quarks: up down strange charm bottom top 2 strange Quarks 1 strange Quark Stabile Atomkerne Stabile Atomkerne (ohne Strangeness) Keine strange Quarks

Proton-Antiproton Annihilation Änderung der Masse in Kernmaterie

Super-Fragment Separator Produziert Strahlen instabiler Kerne Radioaktive Kerne Nukleon Kern Super-Fragment Separator Produziert Strahlen instabiler Kerne

Kern-Kern-Kollision

Instabiler, radioaktiver Kern: Sekundärstrahlen Radioaktive Strahlen Vielzahl neuer Reaktionen mit Anwendung auf : Sterne, Sternentwicklung, Entstehung der Elemente Instabiler, radioaktiver Kern: Sekundärstrahlen

Nuklid-Karte Explosive Fusion zu schweren Elementen (r-process) Halokerne Explosive Fusion zu schweren Elementen (r-process) Stabile Kerne Thermonukleare Fusion bis zum Eisen

Thermonukleares Brennen: Entstehung leichter Elemente Fusion erzeugt Energie und Strahlungsdruck

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen verhindert gravitativen Kollaps durch Strahlungsdruck aus dem Zentrum H

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen verhindert gravitativen Kollaps durch Strahlungsdruck aus dem Zentrum He Fe

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen verhindert gravitativen Kollaps durch Strahlungsdruck aus dem Zentrum C Fe

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen verhindert gravitativen Kollaps durch Strahlungsdruck aus dem Zentrum O Fe O  Si

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen verhindert gravitativen Kollaps durch Strahlungsdruck aus dem Zentrum Si Fe Fe i  Fe

Weiteres Brennen zu schwereren Kernen würde Energiezufuhr erfordern Ende des Brennens: Fe Thermonukleares Brennen verhindert gravitativen Kollaps durch Strahlungsdruck aus dem Zentrum Fe Fe Weiteres Brennen zu schwereren Kernen würde Energiezufuhr erfordern

Eisenkern: Gravitativer Kollaps ....... im Prinzip zum Schwarzen Loch Kollapps wird gestoppt: Elektronen werden in die Protonen gedrückt und Neutronen-Materie bildet sich Fe Fe

Nachstürzende Materie wird am harten Neutronen-Core reflektiert Implosion  Explosion Nachstürzende Materie wird am harten Neutronen-Core reflektiert

Supernova-Explosion Materie wird nach außen geschleudert Neutronen-Stern bleibt übrig.

Supernova-Explosion FAIR Schockwelle rast durch den Rest-Stern. Neutrinos treiben die Schockwelle Schwere Elemente werden durch Fusion erzeugt. Hülle wird abgestoßen FAIR

Beschleunigte Expansion Supernova Supernovae II Supernovae Ia Beschleunigte Expansion Dunkle Energie

Supernova-Explosion China 1054 n.Chr. Krebs-Nebel Supernova-Explosion China 1054 n.Chr.

Entstehung der Elemente

Neutronenstern: Hoher Druck FAIR

Nukleon confinement de-confinement Quark-Gluon Materie Kern

Materie unter extremen Bedingungen Deconfinement Materie unter extremen Bedingungen Quark-Gluon Materie Quark-Gluon Materie

Entwicklung des Universums Hier muss Bild hin mit Universum und Entwicklung von links nach rechts Temperatur Dichte

Kollision und Diagnose

Phasendiagramm Kernmaterie FAIR Deconfinement

FAIR an GSI-Darmstadt Forschung mit Strahlen instabiler Isotope Kerne weitab der Stabilität, Elemententstehung Nukleare Astrophysik Forschung mit Antiprotonen Hadron-Spektroskopie, Hyperkerne, Medium-Effekte Quark-Gluon-Freiheitsgrade, nicht-pert. QCD Antiprotonen, gebunden, niedrige Energie (FLAIR) Kern-Kern-Kollisionen bei hohen Energien Komprimierte und heiße Kernmaterie, Phasenübergänge Deconfinement, strange Materie Ionen- und Laser-induzierte Plasmen Höchste Energiedichten in Materie, Zustandsgleichung Fundamentale Untersuchungen und Anwendungen QED starker Felder, Femtosekunden-Laser

FAIR: Forschung Struktur des Nukleons, Herkunft der Masse, Quark-Gluon-Wechselwirkung Struktur der Atomkerne, Halo-Kerne Strange Quarks in Kernen, Charmed Quarks Herkunft der Elemente, Weisse Zwerge, Super-Novae, Neutronensterne, Sternentwicklung Dichte und heiße Kernmaterie, Quark-Gluon-Plasma, frühe Phasen des Universums Relativistische Quanten Chromodynamik unter allen Bedingungen, nicht-perturbativ

Zukünftige Erweiterung: Polarisierte Antiprotonen (PAX) Transversity: Wahrscheinlichkeit im transversal polarisierten Proton ein transversal polarisiertes Quark zu finden

Dank für die Aufmerksamkeit

FAIR FAIR

Fazit

Quarks: Große Abstände Confinement Kraft zwischen zwei Quarks: 15000 kg Quarks: Kleine Abstände  Asymptotische Freiheit Erice 2004

Proton-Antiproton Annihilation Änderung der Masse in Kernmaterie