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entdeckt_01_2013

entdeckt 01 .13 TITEL WWW.Hzdr.DE Physiker Lothar Naumann vom HZDR. Das Rossendorfer Team arbeitet mit 400 Wissenschaftlern aus 50 Forschungseinrich- tungen in 15 Ländern in der CBM-Kollaboration zusammen, gemeinsam wollen sie jenen Zustand dichter Kernmaterie im Labor herstellen und untersuchen. „Damit können wir tief in die Vergangenheit schauen, etwa 14 Milliarden Jahre bis zum Urknall, und davon wiederum nur die ersten Minuten“, erzählt er weiter. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die gesamte Materie damals stark konzentriert war und aus dieser „Ursuppe“ heraus die Elementarteilchen und später die chemischen Elemente entstanden. Quark-Gluon-Plasma heißt dieser dichte Materiezustand im Fachjargon. Um ihn zu erzeugen, wollen die CBM-Forscher schwere Atomkerne zur Kollision bringen. „Dazu kann man zum Beispiel einen beschleunigten Ionenstrahl auf eine dünne Goldfolie lenken“, sagt Naumann. Wenn einzelne schwere Atomkerne mit vielen Quarks und Gluonen – im Gegensatz zu leichteren Kernen, die davon weniger enthalten – aufein- andertreffen, können hunderte oder tausende neuer Teilchen entstehen. Dazu müssen leistungsfähige Beschleuniger, wie bei FAIR geplant, die Kerne aufeinander lenken und die star- ken Kräfte zwischen den Kernbausteinen überwinden. Wenn Protonen und Neutronen dann zusammenträfen und sich überlappten, könnten Quarks direkt miteinander wechselwir- ken und einen neuartigen Materiezustand herstellen – fertig wäre das Quark-Gluon-Plasma. Die Teilchen sind darin viel dichter angeordnet als in normaler Materie. Das CBM-Experiment wird extrem dichte Plasmen erzeugen: Die Forscher beschleunigen die Ausgangsteilchen auf „moderate“ Energien, dadurch können die Partikel intensiv miteinander wechselwirken. Auch am CERN oder am Brookhaven National Laboratory, USA, werden solche Plasmazustände unter- sucht, aber mit höheren Teilchenenergien und geringerer Dichte. Zehn Millionen Teilchen-Kollisionen pro Sekunde Nur ein kleiner Teil der neu entstandenen Teilchen wird aus einem „Volltreffer“ resultieren, also aus einem direkten Zu- sammenstoß zweier Atomkerne. Sie gilt es aus der Menge der Signale herauszufiltern, die die Teilchen-Kollisionen – bis zu zehn Millionen pro Sekunde – aussenden. Die Wissenschaftler brauchen also extrem leistungsstarke Detektoren, für deren Entwicklung sie neue Materialien und Technologien einsetzen, um die unzähligen Teilchen verarbeiten zu können. Das CBM- Experiment ist deshalb als Kombination mehrerer Detektor- systeme geplant, die unterschiedliche Aufgaben haben. Eine davon ist die Messung der Flugzeit, für die Lothar Nau- mann und seine HZDR-Kollegen zentrale Detektor-Komponen- ten entwickeln. Mit rund 100 Quadratmetern ist der gesamte Flugzeit-Detektor etwa so groß wie die Grundfläche eines Einfamilienhauses. Entsprechende Dimensionen muss auch der unterirdische Bunker haben, in dem das CBM-Experiment untergebracht wird. Frühestens 2017 können die Wissen- schaftler mit seinem Aufbau beginnen. Bis dahin gilt es, die Detektoren fertig zu entwickeln, zu testen und zu bauen. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wird gegenwärtig ein Detektor mit einer Fläche von rund einem Quadratmeter, der aus vielen kleinen Segmenten besteht, aufgebaut. Diesen Prototyp haben die Forscher schon vor einiger Zeit sehr er- folgreich mit dem Elektronenstrahl des ELBE-Beschleunigers am HZDR getestet. Auch CBM-Kollegen an der Tsinghua Universität in Peking, China, und am Institut für Theoretische und Experimentelle Physik in Moskau, Russland, nutzen neben anderen Gruppen den Elektronenstrahl, um daran ihre Detek- toren für FAIR zu testen. Detektoren aus Spezialkeramik Die HZDR-Komponenten müssen zwei Hauptanforderungen erfüllen, erklärt Lothar Naumann: „Sie müssen die Geschwin- digkeit von, erstens, sehr vielen einzelnen Teilchen mit, zweitens, einer sehr hohen Genauigkeit registrieren.“ Das ist ihm und seinen Kollegen gelungen, die Tests liegen drei Jahre zurück. Das Ergebnis: Die neuen Detektoren sind in der Lage, auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter bis zu eine Million Teilchen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 100 Pikosekunden zu bestimmen (in dieser Zeit fliegt ein Teilchen, das sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, 30 Millime- ter weit). Weil die meisten Teilchen mit sehr hoher Wahr- scheinlichkeit die Mitte des gigantischen Flugzeit-Detektors passieren, sollen die schnellen HZDR-Komponenten dort zum Einsatz kommen. „Die Detektoren haben unsere Erwartungen übertroffen“, gibt Lothar Naumann gerne zu. „Wir haben sie in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden entwickelt und sind sehr glücklich über unsere Partner dort.“ Dem Test vorausgegangen war eine etwa zweijährige Entwicklungszeit, in der die Forschungs- partner nach einem geeigneten Material gesucht hatten. „Wir brauchten einen Werkstoff mit ganz bestimmten elektrischen Eigenschaften, um neuartige Detektorkomponenten bauen zu können. Leider kann man solch ein Material nicht kaufen“, „Unsere Detektoren müssen die Geschwindigkeit von sehr vielen einzelnen Teilchen mit einer sehr hohen Genauigkeit registrieren.“

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