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Wissen & Umwelt

Teilchenbeschleuniger FAIR: Spatenstich für Universums-Labor

Bei der GSI in Darmstadt hat der Bau eines riesigen Ringbeschleunigers begonnen. Mit ihm wollen Forscher herausfinden, wie sich die Materie nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entwickelt hat.

FAIR ist ein Gemeinschafts-Mega-Projekt. Mit dabei sind unter anderen Indien, Finnland, Frankreich, Polen, Rumänien, Russland Slowenien, Schweden, Großbritannien und Deutschland. Heute erfolgte der erste Spatenstich - wobei das nicht ganz stimmt, denn die Bagger auf der riesigen Baustelle rollen bereits seit Jahren. Am Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung (GSI) bereiten sie das Gelände für den Bau eines neuen unterirdischen Beschleunigerrings vor.

2025 soll die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Betrieb gehen - eine Anlage für die Forschung mit Antiprotonen und Ionen. FAIR wird nicht eigenständig arbeiten sondern vielmehr eine massive Erweiterung des bestehenden GSI Teilchenbeschleunigers sein. Er wurde in den letzten Jahrzehnten hauptsächich für kernphysikalische und plasmaphysikalische Forschung, Materialforschung und medizinische Forschung genutzt.

Deutschland Beschleunigeranlage Fair (picture-alliance/dpa/GSI Helmholtzzentrum)

Die Baustelle für den neuen FAIR-Beschleuniger liegt direkt neben der bisherigen Anlage des GSI.

Was ist neu an FAIR?

Der bisherige Ringbeschleuniger "SIS18" hat einen Durchmesser von 218 Metern. Er kann Ionen auf rund 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Das entspricht 270.000 Kilometern pro Sekunde. Bei Fair werden diese Teilchen noch einmal stärker beschleunigt. Haben sie den neuen Ringbeschleuniger "SIS 100" durchlaufen, werden sie fast Lichtgeschwindigkeit haben.

Der neue große Beschleunigerring FAIR hat einen Durchmesser von 1100 Metern und liegt 17 Meter tief unter der Erde. Er wir ergänzt durch sieben weitere Beschleunigerringe, die an ihn gekoppelt sein werden.

Deutschland Beschleunigeranlage Fair (picture-alliance/dpa/GSI Helmholtzzentrum)

Der Linearbeschleuniger UNILAC ist einer der vielen Systeme am GSI. Er soll später ein Vorbeschleuniger für FAIR sein.

Der komplexe Aufbau der Anlage wird es den Forschern ermöglichen, mit einer Vielzahl verschiedener Elemente zu experimentieren, mit Wasserstoffionen genauso wie mit Ionen radioaktiver Elemente wie etwa Uran.

Zudem lassen sich voraussichtlich Antiprotonen erzeugen. Das sind Antimaterie-Teilchen, die dieselbe Ladung wie ein Proton haben, aber nicht positiv sondern negativ geladen sind. 

Für die riesigen Datenmengen, die an dem neuen Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, wurde bereits ein neues Rechenzentrum gebaut. Es ist bisher erst zu einem Bruchteil seiner Kapazität ausgelastet und steht bereit, die Forscher bei ihrer Arbeit zu unterstützen - und das werden viele sein. 

Video ansehen 02:59

Der Weg des Ions

Was für Experimente sollen dort durchgeführt werden?

Mehr als 3000 Wissenschaftler aus der ganzen Welt sollen einmal am FAIR arbeiten und dort ganz unterschiedliche Experimente durchführen können. Die konkreten Versuchsaufbauten werden an Universitäten und Forschungseinrichtungen entwickelt und dann am Fair umgesetzt.

Vier große Forschungsbereiche soll es am FAIR geben: Einen für Atom- und Plasmaphysik (APPA Physics), einen für nukleare Strukturen, Astrophysik und Reaktionen (NUSTAR), einen, der sich mit komprimierter Materie beschäftigt (CBM - Compressed Baryonic Matter) sowie einen zur Vernichtung von Antiprotonen (Antiproton Annihilation - PANDA).

Wozu ist das gut?

Was vielen Experimenten im Bereich der physikalischen Grundlagenforschung zugute kommt, ist die Vielseitigkeit der Anlage. So lassen sich sehr viele theoretisch denkbare oder auch im Weltall beschriebene physikalische Zustände in einem winzig kleinen Bereich erzeugen - also auf atomarer Ebene. Das können etwa extrem heiße oder auch kalte Plasmen sein, hohe Drücke oder andere Zustände, wie sie sonst nur im Innersten von Sternen oder Planeten entstehen.

Solche Experimente sollen den Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie unser Universum sich nach dem Urknall entwickelt hat und zu dem geworden ist, wie wir es heute kennen.

Deutschland Beschleunigeranlage Fair (picture-alliance/dpa/GSI Helmholtzzentrum)

Im HADES Detektor soll einmal extrem Dichte Kernmaterie erzeugt werden, wie in einem Neutronenstern.

Auch gelingt es so vielleicht, irgendwann das Rätsel der ominösen Antimaterie zu lösen, von der wir zwar wissen, dass der Großteil unseres Universums daraus besteht, aber nicht, was sie eigentlich ist.

Daneben gibt es eine Fülle anderer Anwendungen - etwa im Bereich der Medizin und Biologie. So lassen sich Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf Körperzellen erforschen. Auch Materialien für den Raumschiffbau oder elektronische Komponenten können durch Teilchenbeschuss auf ihre Widerstandsfähigkeit getestet werden, das ist beispielsweise wichtig für Raumsonden, die in die Nähe der Sonne fliegen sollen oder in die Atmosphäre großer Gasplaneten eintauchen sollen.

Dies sind nur einige von zahlreichen Möglichkeiten, wozu FAIR genutzt werden kann.  Erfahrungsgemäß wächst die Phantasie der Forscher mit den Forschungsergebnissen, die sie gewinnen. Und eins gilt es bei der Grundlagenforschung ohnehin immer zu bedenken: Vorher weiß man nie, was am Ende dabei herausspringt. Wir dürfen uns sicher auf einige Überraschungen gefasst machen.

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