Helmholtz Forschungsakademie - Hessen für FAIR

Die wissenschaftliche Motivation von FAIR

Unsere Welt wird von vier grundlegenden Wechselwirkungen bestimmt.

Beginnen wir mit der sogenannten starken Kraft. Sie wirkt zwischen Quarks und Gluonen bei sehr kurzen Abständen und ist für die Zusammensetzung und Dynamik der Atomkerne verantwortlich. Die elektromagnetische Kraft beherrscht hingegen die Atomphysik und -chemie und damit viele Phänomene des täglichen Lebens. Die schwache Wechselwirkung, die wie die starke Kraft auf sehr kurze Entfernungen, aber mit viel geringerer Stärke wirkt, ist die Kraft, die für viele radioaktive Zerfälle verantwortlich ist. Obwohl die Schwerkraft von allen Wechselwirkungen mit Abstand die geringste Stärke aufweist, dominiert sie dennoch die großräumige Struktur unseres Universums und ist uns allen bekannt.

Die moderne Physik beschreibt alle vier Wechselwirkungen durch gut etablierte Theorien. Drei davon (die Quantenchromodynamik = QCD für die starke Kraft und die elektroschwache Theorie für die vereinheitlichten elektromagnetischen und schwachen Kräfte) basieren auf dem Konzept der Quanteneichtheorie. Die Gravitation wird hingegen im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben. Die Formulierung einer Quantentheorie der Gravitation und die Vereinheitlichung aller Kräfte in einem theoretischen Rahmen ist eines der noch ungelösten Rätsel der Physik.

Eine weitere Triebfeder der heutigen Wissenschaft besteht einerseits darin, die Fülle der Strukturen und Phänomene zu erforschen und zu verstehen, wie sie in den fundamentalen Theorien enthalten sind und von ihnen vorhergesagt werden. Andererseits will sie auch die Grenzen und die Anwendbarkeit testen, indem nach potenziell neuen physikalischen Möglichkeiten gesucht wird, die über sie hinausgehen. Wie kein anderer Ort wird die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) direkt und indirekt zu dieser Suche beitragen.

FAIR ist eine Beschleunigeranlage der nächsten Generation für die Grundlagen- und angewandte Forschung. Sie stellt eine weltweit einzigartige Vielfalt von Ionen- und Antiprotonenstrahlen für eine Vielzahl von Experimenten bereit. International sind an der Anlage 10 Partnerländern beteiligt. Mehr als 2500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Ingenieurinnen und Ingenieure aus mehr als 50 Ländern auf 5 Kontinenten sind an der Vorbereitung und der Forschung an FAIR beteiligt. Der volle Betrieb von FAIR wird voraussichtlich 2025 aufgenommen.

Das Herzstück von FAIR ist das supraleitende Schwerionensynchroton SIS100. Diese Hochintensitätsmaschine wird ergänzt durch einen Protonen-Linearbeschleuniger für die Produktion von Antiprotonen, verschiedene Ringe für gespeicherte gekühlte Ionen und Antiprotonen sowie den Supraleitenden Fragmentseparator (SFRS) für die Erzeugung und saubere Identifizierung von Sekundärstrahlen aus kurzlebigen Ionen.

Der Beschleunigerkomplex FAIR ist einzigartig. Er bietet Strahlen aller Ionenspezies und Antiprotonen bei hohen Energien mit beispiellos hoher Intensität und Qualität (d.h. mit sehr präziser Energie und sehr präzisem Profil). Diese können dann in mehreren Experimentierbereichen mit einer Reihe neuartiger Instrumente und Detektoren für die Forschung in der Hadronen-, Kern-, Atom- und Plasmaphysik sowie für Anwendungen in den Materialwissenschaften und der Bio- und Strahlenphysik eingesetzt werden.

Der Hauptschwerpunkt der FAIR-Forschung konzentriert sich aber auf die Struktur und Entwicklung der Materie sowohl auf mikroskopischer als auch auf kosmischer Ebene. So kommt das Universum ins Labor. Insbesondere wird FAIR unser Wissen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen über die derzeitigen Grenzen hinaus erweitern. Zu diesem Zweck haben sich Forschende weltweit in vier internationalen Kollaborationen (PANDA, CBM, NUSTAR und APPA) organisiert. Diese beleuchten aus verschiedensten Blickwinkeln die Frage, wie die Welt um uns herum aufgebaut ist und wie die Elemente entstanden sind.

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