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Welche Eigenschaften hat dichte Kernmaterie? Das " C Compressed B Baryonic M Matter"-Experiment Fundamentale Fragen der modernen Physik Fundamentale Fragen der modernen Physik Welche Eigenschaften hat Kernmaterie? Ist sie eher "hart" oder "weich"? Was passiert, wenn man sie komprimiert oder erhitzt? Verschmelzen dabei die Nukleonen zu Quarkmaterie? Aus welchen Teilchen besteht das Innere eines Neutronen- sterns? Verändern Teilchen ihre Eigenschaften, wenn sie sich in dichter Kernmaterie befinden? Warum ist die Masse eines freien Nukleons etwa 50 mal größer als die Masse seiner Bestandteile (der 3 Quarks)? Warum gibt es keine freien Quarks? Das Ziel der geplanten Experimente mit hochenergetischen und sehr intensiven Schwerionen-Strahlen ist, auf all diese (und viele andere) Fragen eine Antwort zu suchen. Die FAIR Beschleunigeranlage bietet dafür weltweit einmalige Voraus- setzungen. Experimentelle Herausforderung Experimentelle Herausforderung Das Bild zeigt die simulierten Bahnen der Teilchen aus einem einzigen Stoß. In einer Sekunde finden 10 Millionen solcher Ereignisse statt. Diese ungeheure Teilchen- und Datenrate erfordert die Entwicklung neuartiger Detektoren, Auslese-Elektronik und Datenaufnahme- Systeme. Im Stoß zweier Gold-Kerne, die mit 99.9% Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen, entstehen über 1000 neue Teilchen, über- wiegend Mesonen (Quark-Antiquark- Paare), die alle nachgewiesen werden sollen. Das " Das "Compressed ompressed Baryonic aryonic Matter" atter"- Experiment Experiment Der Durchmesser eines Neutronensterns mit einer Sonnenmasse beträgt etwa 20 km. Zum Vergleich: der Durchmesser unserer Sonne beträgt 1.4 Mio km. Ein Neutronen- stern besteht aus Kernmaterie, deren Dichte im Zentrum 5 – 10 mal so hoch ist wie in einem Atomkern. Krebsnebel Reste einer Supernova-Explosion, die im Jahre 1054 von chinesischen Astronomen beobachtet wurde. Der "Besucher-Stern" leuchtete damals einen Monat lang so hell wie der Vollmond. Im Zentrum des Nebels wurde 1968 der erste Pulsar (Neutronenstern) entdeckt, der 30 mal pro Sekunde rotiert. Dichte Kernmaterie im Universum Dichte Kernmaterie im Universum Modell eines Neutronensterns In der Kollision zweier schwerer Atomkerne wird Kernmaterie komprimiert. Je nach Kollisions- energie werden in der Reaktionszone Dichten erreicht, wie sie in Supernova-Explosionen (bis zu 3-facher Kerndichte) oder in Neutronensternen (bis zu 10-facher Kerndichte) auftreten. In diesem "Feuerball" wird eine Vielzahl neuer Teilchen erzeugt, die auch schwere Quarks enthalten können. Diese teilweise sehr kurzlebigen Teilchen werden mit Detektoren nachgewiesen. Ihre Art, Zahl und Energie liefert Informationen über die Verhältnisse im Feuerball. Von besonderem Interesse ist die Frage, ob die Materie im Zentrum des Feuerballs so stark komprimiert oder erhitzt ist, dass sich die Kernmaterie in Quarkmaterie umwandelt. In diesem sog. Plasma könnten sich die Quarks frei bewegen, ohne in Nukleonen oder Mesonen gebunden zu sein. Weiterhin wird untersucht, ob sich Eigenschaften der Teilchen, z.B. deren Massen, ändern. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den Prozess der Massen-Erzeugung ziehen. Dichte Kernmaterie im Labor Dichte Kernmaterie im Labor Die uns umgebende Materie besteht aus Atomen, deren Masse im Atomkern konzen- triert ist. Die Bausteine des Atomkerns sind Protonen und Neutronen (sog. Nukleonen), die wiederum aus je 3 Quarks zusammengesetzt sind. Quarks sind Elementarteilchen, die nicht isoliert existieren, sondern nur als 3-er Gruppen oder als Quark-Antiquark Paare (sog. Mesonen). Dieses Phänomen nennt man "Confinement". Die Quarks werden durch die sog. Starke Kraft aneinandergefesselt und bilden so die Nukleonen und schließlich die Atomkerne. Experimente mit Kernmaterie Experimente mit Kernmaterie Atom: 10 -10 m Atomkern: 10 -14 m Nukleon: 10 -15 m Quark: <10 -18 m CBM CBM- Kollaboration Kollaboration: 46 Institute, 400 : 46 Institute, 400 Mitglieder Mitglieder Kroatien : RBI, Zagreb China: Wuhan Univ. Hefei Univ. Tschechien: CAS, Rez Techn. Univ. Prag Frankreich: IPHP Strasbourg Norwegen: Univ. Bergen Polen: Univ. Krakau Univ. Warschau Univ. Kattowitz Jag. Univ. Krakau Portugal : LIP Coimbra Rumänien : NIPNE Bukarest Deutschland: Univ. HD, Phys. Inst. Univ. HD, Kirchh. Inst. Univ. Frankfurt Univ. Kaiserslautern Univ. Mannheim Univ. Münster FZ Rossendorf GSI Darmstadt Ungarn: KFKI Budapest Eötvös Univ. Budapest Russland: IHEP Protvino INR Troitzk ITEP Moskau KRI, St. Petersburg Kurchatov Inst., Moskau LHE, JINR Dubna LPP, JINR Dubna LIT, JINR Dubna MEPHI Moskau Obninsk State Univ. PNPI Gatchina SINP, Moskau State Univ. St. Petersb. Polytec. Univ. Indien: IOP Bhubaneswar Univ. Chandighar VECC Kalkutta, SAHA Kalkutta IIT Kharagpur Univ. Varanasi Korea: Korea Univ. Seoul Pusan Nat.Univ. Ukraine: Shevshenko Univ. Kiev Cypern: Nikosia Univ.

Welche Eigenschaften hat dichte Kernmaterie? Das ...Welche Eigenschaften hat dichte Kernmaterie? ... Warum ist die Masse eines freien Nukleons etwa 50 mal größer als die Masse seiner

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Page 1: Welche Eigenschaften hat dichte Kernmaterie? Das ...Welche Eigenschaften hat dichte Kernmaterie? ... Warum ist die Masse eines freien Nukleons etwa 50 mal größer als die Masse seiner

Welche Eigenschaften hat dichte Kernmaterie?Das "CCompressed BBaryonic MMatter"-Experiment

Fundamentale Fragen der modernen PhysikFundamentale Fragen der modernen PhysikWelche Eigenschaften hat Kernmaterie? Ist sie eher "hart" oder "weich"? Was passiert, wenn man sie komprimiert oder erhitzt?Verschmelzen dabei die Nukleonen zu Quarkmaterie?

Aus welchen Teilchen besteht das Innere eines Neutronen-sterns?Verändern Teilchen ihre Eigenschaften, wenn sie sich in dichter Kernmaterie befinden? Warum ist die Masse eines freien Nukleons etwa 50 mal größer als die Masse seiner Bestandteile (der 3 Quarks)? Warum gibt es keine freien Quarks?

Das Ziel der geplanten Experimente mit hochenergetischen und sehr intensiven Schwerionen-Strahlen ist, auf all diese (und viele andere) Fragen eine Antwort zu suchen. Die FAIR Beschleunigeranlage bietet dafür weltweit einmalige Voraus-setzungen.

Experimentelle HerausforderungExperimentelle Herausforderung

Das Bild zeigt die simulierten Bahnen der Teilchen aus einem einzigen Stoß. In einer Sekunde finden 10 Millionen solcher Ereignisse statt. Diese ungeheure Teilchen- und Datenrate erfordert die Entwicklung neuartiger Detektoren, Auslese-Elektronik und Datenaufnahme-Systeme.

Im Stoß zweier Gold-Kerne, die mit 99.9% Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen, entstehen über 1000 neue Teilchen, über-wiegend Mesonen (Quark-Antiquark-Paare), die alle nachgewiesen werden sollen.

Das "Das "CCompressedompressed BBaryonicaryonic MMatter"atter"--ExperimentExperiment

Der Durchmesser eines Neutronensterns mit einer Sonnenmasse beträgt etwa 20 km. Zum Vergleich: der Durchmesser unserer Sonne beträgt 1.4 Mio km. Ein Neutronen-stern besteht aus Kernmaterie, deren Dichte im Zentrum 5 – 10 mal so hoch ist wie in einem Atomkern.

KrebsnebelReste einer Supernova-Explosion, die im Jahre 1054 von chinesischen Astronomen beobachtet wurde. Der "Besucher-Stern" leuchtete damals einen Monat lang so hell wie der Vollmond. Im Zentrum des Nebels wurde 1968 der erste Pulsar(Neutronenstern) entdeckt, der 30 mal pro Sekunde rotiert.

Dichte Kernmaterie im UniversumDichte Kernmaterie im Universum

Modell eines Neutronensterns

In der Kollision zweier schwerer Atomkerne wird Kernmaterie komprimiert. Je nach Kollisions-energie werden in der Reaktionszone Dichten erreicht, wie sie in Supernova-Explosionen (bis zu 3-facher Kerndichte) oder in Neutronensternen (bis zu 10-facher Kerndichte) auftreten. In diesem "Feuerball" wird eine Vielzahl neuer Teilchen erzeugt, die auch schwere Quarks enthalten können. Diese teilweise sehr kurzlebigen Teilchen werden mit Detektoren nachgewiesen. Ihre Art, Zahl und Energie liefert Informationen über die Verhältnisse im Feuerball. Von besonderem Interesse ist die Frage, ob die Materie im Zentrum des Feuerballs so stark komprimiert oder erhitzt ist, dass sich die Kernmaterie in Quarkmaterie umwandelt. In diesem sog. Plasma könnten sich die Quarks frei bewegen, ohne in Nukleonen oder Mesonen gebunden zu sein. Weiterhin wird untersucht, ob sich Eigenschaften der Teilchen, z.B. deren Massen, ändern. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf den Prozess der Massen-Erzeugung ziehen.

Dichte Kernmaterie im LaborDichte Kernmaterie im LaborDie uns umgebende Materie besteht aus Atomen, deren Masse im Atomkern konzen-triert ist. Die Bausteine des Atomkerns sind Protonen und Neutronen (sog. Nukleonen), die wiederum aus je 3 Quarks zusammengesetzt sind. Quarks sind Elementarteilchen, die nicht isoliert existieren, sondern nur als 3-er Gruppen oder als Quark-AntiquarkPaare (sog. Mesonen). Dieses Phänomen nennt man "Confinement". Die Quarks werden durch die sog. Starke Kraft aneinandergefesselt und bilden so die Nukleonen und schließlich die Atomkerne.

Experimente mit KernmaterieExperimente mit Kernmaterie

Atom: 10-10 m Atomkern: 10-14 mNukleon: 10-15 m

Quark: <10-18 m

CBMCBM--KollaborationKollaboration: 46 Institute, 400 : 46 Institute, 400 MitgliederMitgliederKroatien:RBI, Zagreb

China:Wuhan Univ.Hefei Univ.

Tschechien:CAS, RezTechn. Univ. Prag

Frankreich:IPHP Strasbourg

Norwegen:Univ. Bergen

Polen:Univ. KrakauUniv. WarschauUniv. KattowitzJag. Univ. Krakau

Portugal:LIP Coimbra

Rumänien: NIPNE Bukarest

Deutschland: Univ. HD, Phys. Inst.Univ. HD, Kirchh. Inst. Univ. FrankfurtUniv. KaiserslauternUniv. Mannheim Univ. MünsterFZ RossendorfGSI Darmstadt

Ungarn:KFKI BudapestEötvös Univ. Budapest

Russland:IHEP ProtvinoINR TroitzkITEP MoskauKRI, St. PetersburgKurchatov Inst., MoskauLHE, JINR DubnaLPP, JINR DubnaLIT, JINR DubnaMEPHI MoskauObninsk State Univ.PNPI GatchinaSINP, Moskau State Univ. St. Petersb. Polytec. Univ.

Indien:IOP BhubaneswarUniv. ChandigharVECC Kalkutta, SAHA KalkuttaIIT KharagpurUniv. Varanasi

Korea:Korea Univ. SeoulPusan Nat.Univ.Ukraine:Shevshenko Univ. KievCypern:Nikosia Univ.