Knuddelige Bärchen bei einem Teilchenbeschleuniger? Natürlich nicht. PANDA wird das zukünftige Arbeitspferd der Hadronenphysik bei GSI und FAIR und bei den Hadronenphysikerinnen und -physikern der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR.
PANDA steht für AntiProton Annihilation at Darmstadt. In der Physik steht der Strich über dem Buchstaben für Antiteilchen, daher auch der Strich im Logo, den wir hier im Text leider nicht reproduzieren können.
PANDA ist ein sehr vielseitiger Detektor, der aktuell gebaut in Darmstadt gebaut wird.
Für das Experiment wird ein Strahl aus Antiprotonen, dem Antiteilchen der Protonen, benötigt. Da die Elemente, die wir üblicherweise beschleunigen keine Antiteilchen enthalten, müssen wir diese erstmal erzeugen. Hierfür wird mit einem Wasserstoff-Strahl auf ein Ziel geschossen und die Antiprotonen hierdurch erzeugt - die Antiprotonen werden dann im sogenannten Hochenergiespeicherring "gelagert", beschleunigt, entschleunigt und fokussiert. Mit diesen Antiproton-Strahlen wird dann auf ein festes Ziel innerhalb des PANDA-Detektors geschossen, so dass die Antiprotonen mit den Hadronen des Ziels kollidiert, um die Struktur und Dynamik ebendieser Hadronen zu untersuchen.
Aber warum der ganze Aufwand, wenn man es auch viel einfacher haben könnte?
Das interessante an Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen ist, dass diese sich annihilieren, d.h. vernichten. Aus den kollidierenden Teilchen wird ein Zustand, der nahezu die komplette Energie der Teilchen absorbiert und es werden neue Teilchen produziert. Interessant an der Kollision von Protonen und Antiprotonen ist, dass diese eine Unterstruktur haben, die somit untersucht werden kann. Daher wird die Energie auch nicht in einem großen "Blob" freigesetzt, sondern in vielen kleinen Portionen, ganz gemäß der kollidierenden Substruktur. Dies ist anders als z.B. bei Elektron-Position-Kollisionen. Bei diesen Kollisionen kann zwar die Energie für jede Kollision genau eingestellt werden, allerdings bleibt es dann auch bei dieser Energie. Bei Proton-Antiproton-Kollisionen werden viele kleine "Sub-Kollisionen" erzeugt, die dann viel einfacher eine Vielzahl von Teilchen produzieren können. Dafür ist man nicht so genau, aber irgendwas ist ja immer...
Die Annihilation von Antiprotonen mit Protonen ermöglicht somit eine sehr präzise Spektroskopie (Vermesserung) aller Zustände im Charmonium-System (Teilchen mit charm und anti-charm quarks), die Suche nach Glueballs (Teilchen, die nur aus Gluonen bestehen) und Multi-Quark-Systemen (Teilchen mit mehr als 3 Quarks). Warum das spannend ist, schaut einfach mal in den Blog-Post zu Quantenchromodynamik.
Mit Targets, die schwerere Kerne enthalten, kann auch der Einfluss von dichter Kernmaterie auf diese neu untersuchten Teilchen vermessen werden. Darüber hinaus sind die Quarkdynamik in Hadronen, die Produktion und Spektroskopie von (Doppel-)Hypernuklei sowie spezielle Fragen der Protonenstruktur Teil des vielseitigen Forschungsprogramms.
Und wie der Detektor genau funktioniert schauen wir uns in einem der nächsten Blog-Posts an.