Das Herzstück der Forschung der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR ist, wie der Name schon impliziert, die Anlage FAIR. Hier wird Spitzenforschung direkt in Hessen durchgeführt, allerdings immer im internationalen Kontext.
So sind auch einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Mitglieder in der ALICE Kollaboration am CERN und treiben das Experiment aktiv voran. Diese Erfahrungen fließen natürlich in die FAIR-Kollaborationen ein, hier insbesondere in die CBM-Kollaboration.
ALICE (die Abkürzung für "A Large Ion Collider Experiment") ist ein Detektor für die Schwerionenphysik am Large Hadron Collider (LHC). Er untersucht die Physik der starken Wechselwirkung unter extremen Bedingungen, insbesondere Temperaturen und Energiedichten. Hier bildet sich ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma, ein Zustand der im Universum kurz nach dem Urknall vorherrschte.
Heute besteht die gesamte gewöhnliche Materie im Universum aus Atomen. Jedes Atom enthält einen Kern aus Protonen und Neutronen (die einzige Ausnahme ist das Wasserstoff-Atom, hier hat der Kern keine Neutronen), der von einer Wolke aus Elektronen umgeben ist. Protonen und Neutronen bestehen wiederum aus Quarks, die durch andere Teilchen, die Gluonen, miteinander verbunden sind. Wichtig hier ist, dass bisher kein Quark jemals isoliert beobachtet wurde: Die Quarks und auch die Gluonen sind dauerhaft aneinander gebunden und in zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen eingeschlossen zu sein. Dies wird als "Confinement" bezeichnet. Ein paar mehr Details gab es schon an dieser Stelle im Blog.
Die Kollisionen im LHC erzeugen Temperaturen, die mehr als 100 000 Mal so heiß sind wie das Zentrum der Sonne. Die Temperatur wird gemessen in Mega-Elektronvolt und beträgt ca. 150-200 MeV. Umgerechnet sind das ca. 2 x 1012 Kelvin. Während eines Teils des Jahres finden im LHC Kollisionen zwischen Blei-Ionen statt, so dass im Labor Bedingungen herrschen, die denen kurz nach dem Urknall ähneln. Unter diesen extremen Bedingungen "schmelzen" Protonen und Neutronen, wodurch die Quarks aus ihren Bindungen mit den Gluonen befreit werden. Dies ist das Quark-Gluon-Plasma. Die Existenz einer solchen Phase und ihre Eigenschaften sind von zentraler Bedeutung für die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD), für das Verständnis des Phänomens des Confinements und für ein physikalisches Problem, das als Wiederherstellung der chiralen Symmetrie bezeichnet wird. Die ALICE-Kollaboration untersucht das Quark-Gluon-Plasma, während es sich ausdehnt und abkühlt, und beobachtet, wie es nach und nach die Teilchen hervorbringt, die heute die Materie unseres Universums bilden.
Die ALICE-Kollaboration nutzt den 10 000 Tonnen schweren ALICE-Detektor - 26 m lang, 16 m hoch und 16 m breit - zur Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas. Ein wichtiger Teil, die GEM-TPC wurde in Hessen entwickelt. Der Detektor befindet sich in einer riesigen Kaverne 56 m unter der Erde in der Nähe des Dorfes St. Genis-Pouilly in Frankreich.
Doch wie unterscheidet sich das Programm von ALICE zum Programm von CBM? Dies ist relativ einfach zu beantworten - während ALICE Kernmaterie bei extremen Temperaturen und Energien untersucht, ist das Programm des CBM-Experiments darauf ausgelegt die Kernmaterie bei extremen Dichten zu vermessen. Daher auch der Name - Compressed Baryonic Matter.
Beide Experiment bilden eine hervorragende Synergie. Das, was die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR aktuell am CERN lernen, wird selbstverständlich später das CBM-Experiment voranbringen und umgekehrt. Immer mit dem Ziel ein bisschen besser zu verstehen, wie die Welt funktioniert.