Wenn in einigen Jahren am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und der internationalen Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) die ersten Strahlen durch den neuen Tunnel jagen, wird ein Name dabei immer wieder fallen: SIS100. Der Beschleuniger mit einem Umfang von ca. 1,1 Kilometern ist das zentrale Beschleunigerelement von FAIR – und eine technologische Meisterleistung, die sowohl Physikerinnen und Physiker als auch Ingenieursteams vor besondere Herausforderungen stellt.
Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Teilchen – etwa Ionen – auf einer ringförmigen Bahn durch starke Magnetfelder geführt und dabei immer wieder beschleunigt werden. Anders als bei einem Linearbeschleuniger durchlaufen die Teilchen den Beschleunigerkreis viele Male und gewinnen bei jedem Umlauf Energie. Die Magnetfelder müssen dabei synchron zur steigenden Geschwindigkeit der Teilchen verstärkt werden – daher der Name „Synchrotron“.
Im SIS100 werden diese Magnetfelder von supraleitenden Dipol- und Quadrupolmagneten erzeugt. Die Supraleitung erlaubt es, extrem hohe Magnetfelder zu erzeugen, ohne dass dabei große elektrische Verluste entstehen. Möglich wird dies durch den Betrieb der Magnete bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt – gekühlt mit flüssigem Helium auf etwa minus 269 Grad Celsius.
Die Reise der Ionen beginnt in der Ionenquelle, wo aus festen oder gasförmigen Materialien einzelne Atome herausgelöst und ionisiert werden. Diese Ionen werden zunächst in kleineren Vorbeschleunigern auf einige Millionen Elektronenvolt gebracht, bevor sie in den SIS100 eingespeist werden. Dort durchlaufen sie mehrere Hunderttausend Umläufe, bis sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreicht haben.
Anschließend werden die Strahlen entweder direkt in Experimente geleitet oder in weitere Speicher- und Beschleunigerringe überführt. So können Forscherinnen und Forscher eine breite Palette an Teilchenarten und Energien für ihre Experimente nutzen – von Protonen über schwere Ionen wie Gold oder Uran bis hin zu exotischen radioaktiven Isotopen.
Das Besondere am SIS100 ist die Kombination aus hoher Strahlenergie und extrem hoher Intensität. Er wird Strahlen mit bis zu 29 GeV pro Ladungseinheit bereitstellen können – das ist ausreichend, um Materiezustände zu erzeugen, wie sie im Inneren von Neutronensternen oder kurz nach dem Urknall vorkommen.
Die supraleitende Magnettechnologie sorgt zudem dafür, dass die Magnete sehr schnell hoch- und heruntergefahren werden können. Das sogenannte „Rapid Cycling“ ist entscheidend, um innerhalb kurzer Zeit viele Strahlenpulse zu liefern – eine Anforderung, die vor allem für Experimente mit hohen Teilchenraten wichtig ist, etwa in der Kern- und Hadronenphysik.
Der SIS100 ist nicht nur das Herzstück von FAIR, sondern auch ein Schlüssel zu völlig neuen Experimentiermöglichkeiten. Mit ihm können Antiprotonen für Präzisionsexperimente in der Teilchenphysik erzeugt, seltene Isotope für die Nuklearastrophysik untersucht oder hochenergetische Strahlen für die Materialforschung bereitgestellt werden.
Darüber hinaus wird der Beschleuniger auch für angewandte Forschung genutzt – etwa zur Entwicklung neuer Strahlentherapien gegen Krebs oder für Strahlenhärtungstests in der Raumfahrttechnik.
Mit dem Bau und der Inbetriebnahme des SIS100 wird eine neue Ära für die Forschung an GSI und FAIR beginnen. Seine Kombination aus technischer Spitzenleistung, Flexibilität und Strahlqualität wird es ermöglichen, Fragen zu beantworten, die bisher außerhalb der Reichweite lagen – von den fundamentalen Bausteinen der Materie bis hin zu den Prozessen, die unser Universum geformt haben.