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Reise ins Innerste der Materie
Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage
Günther RosnerWissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.121
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Facility for Antiproton and Ion Research
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 2
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UNILAC
SIS18
SIS100/300
p-Linac
HESR
CR &RESR
NESR CryRing
100 m
FAIR-Beschleunigeranlage
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 3
Grundlagenforschungo Kern- und Teilchenphysiko Astrophysiko Atomphysiko Plasmaphysik
Grundlagenforschungo Kern- und Teilchenphysiko Astrophysiko Atomphysiko Plasmaphysik
Angewandte Forschungo Materialwissenschafteno Biophysik/Medizino Weltraumforschung
Angewandte Forschungo Materialwissenschafteno Biophysik/Medizino Weltraumforschung
FAIR-Eigenschafteno Derzeit größtest Projekt
der Kern- und Teilchenphysik(> 1 Milliarde € Invest.mittel)
o Kompakte Bauweise durchRingbeschleuniger
o Millionenfache Nutzungdes Strahls in Speicherringen
FAIR-Eigenschafteno Derzeit größtest Projekt
der Kern- und Teilchenphysik(> 1 Milliarde € Invest.mittel)
o Kompakte Bauweise durchRingbeschleuniger
o Millionenfache Nutzungdes Strahls in Speicherringen
Hochtechnologie-Entwicklungo Effiziente, schnelle
Teilchenbeschleunigero Hochauflösende
Magnetspektrometero Empfindliche Licht- und Teilchen-
Detektoreno Hochvakuum-Technologieo Schnelle elektronische
Datenerfassungo Energie-effiziente
Computertechnologie
Hochtechnologie-Entwicklungo Effiziente, schnelle
Teilchenbeschleunigero Hochauflösende
Magnetspektrometero Empfindliche Licht- und Teilchen-
Detektoreno Hochvakuum-Technologieo Schnelle elektronische
Datenerfassungo Energie-effiziente
Computertechnologie
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Schnelle BeschleunigungFerrit & MA Kavitäten
Großer Gradient, variable Frequenz
Kompakt & kosteneffektivSupraleitende Magnete
dB/dt ~ 4T/s
Hohe StrahlqualitätElektronen & stochastische Kühlung
XHV @ Hoher StrahlintensitätHochvakuum ~10-13 mbar
Beschleuniger
Günther Rosner 4Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
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Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
Skalen des Universums
Materie10-1 m
Kristall10-9 m
Atom10-10 m
Atomkern10-14 mNukleon
10-15 m
DNA10-8 m
Quarks < 10-18 m
Galaxie1021 m
1.000.000.000.000.000.000.000 m
1 m
0,000.000.01 m
0,000.000.000.1 m
0,000.000.000.000.01 m
0,000.000.000.000.000.001 m
100.000.000 mSterne, Planeten108 m
5
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Elementare Bausteine
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 6
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Rätsel I1) Vakuumenergie des Mikrokosmos unterscheidet
sich um ca. 10120 von der des Makrokosmos.2) Unser Universum enthält nur Teilchen, keine
Antiteilchen.3) Neutrinos sind nicht masselos.4) Elementare Bausteine besitzen extrem
unterschiedliche Massen.
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 7
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Rätsel II5) Quarks kommen nicht in freier Natur vor. Sie sind in
stark wechselwirkenden, nicht elementaren Teilchen (Hadronen) zu zweit oder dritt eingesperrt.
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 8
u d
u
Proton (p)938 MeV/c2
u d
d
Neutron (n)939 MeV/c2
ud
π- 140 MeV/c2
Baryonen Mesonen
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Rätsel III6) Normale (schwere) Materie besteht aus fast
masselosen „up“ und „down“ Quarks.
99% der Masse des sichtbaren Universums ist eigentlich Energie!
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 9
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Quanten-Chromo-Dynamik
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 10
QED:
QCD:
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Aufbau der (Quanten-) Materie
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 11
LHC @ CERN
FAIR
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FAIR-Experimente: PANDA
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 12
PANDA
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Exotische Hadronen
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 13
PANDA @ FAIRPANDA @ FAIR
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Anti-Proton Annihilation @ DA
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 14
PANDA
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Exotische Mesonen
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 15
QCD Gitterrechnungen
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Schwere Energiebälle• Exotische “Gluebälle”,
(Oddballs) mit für normale Mesonen verbotenen Quantenzahlen– m(2+-) = 4.140 GeV– m(0+-) = 4.740 GeV
• Lange Lebensdauern von QCD-Gitterrechnungen vorhergesagt.
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 16
Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043
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FAIR-Experimente: CBM
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 17
CBM
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Hadronen in Kernen• Vorhersage: Änderung der
Hadronenmasseo aufgrund partieller
Wiederherstellung der Chiralen Symmetrie Leichte Quarks sensitiv auf Quark-
Kondensat im Vakuum Mesonen mit schwereren Quarks
sensitiv auf Gluonen-Kondensat
Spontane Symmetriebrechung
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 18
Vakuum Kern
K
25 MeV
100 MeV
K+
K
Hayaski, PLB 487 (2000) 96Morath, Lee, Weise, priv. Comm.
D50 MeV
D
D+
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Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 19
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Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 20
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Hohe Baryonendichte @ CBM
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 21
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Diagnostische Sonden der dichten Phase
Bisher keine Messung bei FAIR Energien
![Page 23: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/23.jpg)
FAIR-Experimente: NuSTAR
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 23
NuSTAR
Super-FRS
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Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
FRS und Super-FRS im Vergleich
FRS
Super-FRS
150m
24
![Page 25: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/25.jpg)
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
Nuklidkarte
25
![Page 26: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/26.jpg)
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12
Elementsynthese in Sternen
Anzahl der Neutronen
An
zah
l d
er
Pro
ton
en
Terra Incognita
Terra Incognita
Terra Incognita
FePfad der Elementsynthese inSternexplosionen (Supernova)
r-Prozessrp-P
rozess
26
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NuSTAR
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 27
![Page 28: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/28.jpg)
FAIR-Experimente: APPA
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 28
APPA
![Page 29: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/29.jpg)
Plasmen
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 29
Teilchen / cm3
Tem
per
atu
re [
eV]
Jupiter
LaserHeating
Sun Surface
Magnetic Fusion
solid statedensity
PHELIX
Sun Core
Inertial Fusion Energy
XFEL
SIS 18
Ion BeamHeating
SIS 100
Strongly coupled
plasmasIdeal plasmas
FLASH
![Page 30: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/30.jpg)
Große elektromagnetische Felder
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 30
10-15 s Pulse
Laser
(adapted from Mourou, Tajima, Bulanov, RMP 78, 2006)
Schwerionen
10-21 s Pulse
entsprichtI ≥ 1028 W/cm2
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Paritätsverletzung
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 31
PS
PNWFS
EE
QG
522/
Mischung zwischen Zuständen entgegengesetzter Parität:
Energy levels of He-like uranium
2E1 (PNC)
NN
ee
ee
NN
Kleine Energiedifferenz!
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Nuklearmedizin
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 32
Kleinzelliges Lungenkarzinom
12C Therapie
@ GSI
Adenoid-zystisches Karzinom
![Page 33: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/33.jpg)
ESA @ GSI & FAIR
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 33
GCR Charge Contributions
Charge Number
0 5 10 15 20 25 30
% C
ontr
ibut
ion
0.001
0.01
0.1
1
10
100
FluenceDoseDose Eq.
Free Space
Durante & Cucinotta, Nature Rev. Cancer (2008)
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Modularisierte Startversion
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 34
APPA
CBM/HADES
NuSTAR
PANDAExperimenteM1: APPAM1: CBM/HADESM2: NuSTARM3: PANDA
M0
M1
M2M3
M3
![Page 35: Reise ins Innerste der Materie Forschung an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 1](https://reader038.vdokument.com/reader038/viewer/2022110305/55204d7c49795902118ccede/html5/thumbnails/35.jpg)
Zeitlicher Ablauf
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 35
20122011 2013 201620152014
6
Bauanträge
Baustelleneinrichtung
Ausschreibungen Bau
Bau der Beschleuniger- und Detektorkomponenten
Fertigstellung Rohbau
Installation Beschleuniger und Detektoren
Datennahme
7 108
2017 2018 2019
12
6
7
8
9
11
12
10
119
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Probebohrungen 31.8.11
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 36
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Baufeldfreimachung 6.12.11
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 37
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Vielen Dank!
Günther Rosner Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt, 15.2.12 38