Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR

Atomphysik mit extremen Feldern
ESR

Atomphysik mit extremen Feldern

Die FAIR-Anlage bietet eine Reihe neuer Möglichkeiten für die Atomphysik und die verwandten Bereiche.

Erstens erzeugen Ionen im hochgeladenen Zustand (wie z.B. Goldionen), die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, elektrische und magnetische Felder von außergewöhnlicher Stärke.

Zweitens werden bei diesen relativistischen Geschwindigkeiten die Energien optischer Übergänge, wie z. B. bei Lasern, bis in den Röntgenbereich angehoben. Die starken Felder, die von schweren, hochgeladenen Ionen getragen werden, sind ihre herausragenden Eigenschaften für die Forschung in der Atomphysik und der angewandten Physik. Zusammen mit den zu erwartenden hohen Strahlintensitäten ist eine Reihe von wichtigen Experimenten denkbar.

Bei Kollisionen von Ionen mit Atomen bei relativistischen Geschwindigkeiten, d.h. ca. ab 10% der Lichtgeschwindigkeit, entstehen aufgrund der hohen Kernladungen und der extrem hohen Geschwindigkeiten extrem intensive Felder der Photonen.

Dies wird, nach E=mc2 sogar zur Erzeugung echter Teilchen-Antiteilchen-Paare (z. B. ein Elektron und ein Positron) führen.

Für die schwersten Ionen wird die Quantenelektrodynamik, eine der am besten getesteten Theorien der Physik erstmal bei extrem starken Felder überprüft. Hier ist es möglich, dass bisher unentdeckte Effekt der Physik auftreten und unser Wissen ein kleines, aber entscheidendes Stück vorangetrieben wird.

Die in hochrelativistischen Kollisionen vorhandenen Felder sind, wie oben geschrieben, stark genug, um echte Elektron-Positron-Paare direkt aus dem Vakuum zu erzeugen. Somit werden auch Präzisionsstudien der Quantenelektrodynamik in gebundenen Zuständen erstmal möglich.

Infolgedessen können nun selbst die schwersten Ionen mit wenigen Elektronen in Präzisionsexperimenten unter Verwendung modernster Lasersysteme untersucht werden. Der Doppler-Effekt (den wir von Krankenwägen bestens kennen) wird auch zum ersten Mal für die Laserkühlung schwerer, hochgeladener Ionen genutzt, was Strahlen mit relativistischen Energien und Brillanzen verspricht. Diese Strahlen sind für einzigartige Präzisionsstudien in der Atom- und Kernphysik geeignet und bieten darüber hinaus neue Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere bei Materialmodifikationen und -tests sowie in der Biophysik und Weltraumforschung.

In nahezu all diesen Bereichen sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der HFHF an vorderster Front beteiligt und erforschen das Kleinste ein kleines Stück genauer.

Physiker am Experiment
Atomphysik mit extremen Feldern