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Reise ins Innerste der MaterieForschung an der neuen
Teilchenbeschleunigeranlage
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1
Facility for Antiproton and Ion Research
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 2
UNILAC
SIS18
SIS100/300
p-Linac
HESR
CR &RESR
NESR CryRing100 m
GSI FAIR
FAIR-Beschleunigeranlage
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 3
Grundlagenforschungo Kern- und Teilchenphysiko Astrophysiko Atomphysiko Plasmaphysik
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
Hochtechnologie-Entwicklungo Effiziente, schnelle
Teilchenbeschleunigero Hochauflösende
Magnetspektrometero Empfindliche Licht- und Teilchen-
Detektoreno Hochvakuum-Technologieo Schnelle elektronische
Datenerfassungo Energie-effiziente
Computertechnologie
4
Schnelle BeschleunigungFerrit & MA Kavitäten
Großer Gradient, variable Frequenz
Kompakt & kosteneffektivSupraleitende Magnete
dB/dt ~ 4T/s
Hohe StrahlqualitätElektronen & stochastische Kühlung XHV @ Hoher Strahlintensität
Hochvakuum ~10-13 mbar
Beschleuniger
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12Günther Rosner
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
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Elementare Bausteine
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 6
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.
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 7
Rätsel II5) 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
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
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 10
QED:
QCD:
Aufbau der (Quanten-) Materie
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 11
LHC @ CERN
FAIR
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FAIR-Experimente: PANDA
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
PANDA
Exotische Hadronen
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 13
PANDA @ FAIR
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Anti-Proton Annihilation @ DA
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
PANDA
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Exotische Mesonen
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
QCD Gitterrechnungen
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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
Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043
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FAIR-Experimente: CBM
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
CBM
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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
Günther Rosner
Vakuum Kern
p
K
25 MeV
100 MeV
K+
K-
p-
p+
Hayaski, PLB 487 (2000) 96Morath, Lee, Weise, priv. Comm.
D-50 MeV
D
D+
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Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 20
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 21
Hohe Baryonendichte @ CBM
Günther Rosner
Diagnostische Sonden der dichten Phase
Bisher keine Messung bei FAIR Energien
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FAIR-Experimente: NuSTAR
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
NuSTAR
Super-FRS
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12Günther Rosner
FRS und Super-FRS im VergleichFRS
Super-FRS
150m
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Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12Günther Rosner
Nuklidkarte
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Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12Günther Rosner
Elementsynthese in Sternen
Anzahl der Neutronen
Anza
hl d
er P
roto
nen
Terra Incognita
Terra Incognita
Terra Incognita
FePfad der Elementsynthese inSternexplosionen (Supernova)
r-Prozessrp-Prozes
s
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NuSTAR
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 27
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FAIR-Experimente: APPA
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
APPA
Plasmen
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 29
Teilchen / cm3
Tem
pera
ture
[eV
]
Jupiter
LaserHeating
Sun Surface
Magnetic Fusion
solid statedensity
PHELIXSun Core
Inertial Fusion Energy
XFEL
SIS 18
Ion BeamHeating
SIS 100
Strongly coupled
plasmasIdeal plasmas
FLASH
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
entsprichtI ≥ 1028 W/cm2
Paritätsverletzung
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 31
PS
PNWFS
EE
QG
-
522/
Mischung zwischen Zuständen entgegengesetzter Parität:
Energy levels of He-like uranium
2E1 (PNC)
NN
ee
Zee
NN
Kleine Energiedifferenz!
Nuklearmedizin
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 32
Kleinzelliges Lungenkarzinom12C
Therapie@ GSI
Adenoid-zystisches Karzinom
ESA @ GSI & FAIR
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GCR Charge Contributions
Charge Number0 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)
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Modularisierte Startversion
Günther Rosner
APPA
CBM/HADES
NuSTAR
PANDAExperimente
M1: APPAM1: CBM/HADESM2: NuSTARM3: PANDA
M0
M1
M2M3
M3
Zeitlicher Ablauf
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 35
20122011 2013 201620152014
6
BauanträgeBaustelleneinrichtungAusschreibungen BauBau der Beschleuniger- und DetektorkomponentenFertigstellung RohbauInstallation Beschleuniger und DetektorenDatennahme
7 108
2017 2018 2019
12
6789
1112
10
119
Probebohrungen 31.8.11
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 36
Baufeldfreimachung 6.12.11
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 37
Vielen Dank!
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 38
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