HZDR entdeckt 1_2012

entdeckt 01.12 Forschung WWW.Hzdr.DE Der Trend ging in den letzten Jahrzehnten hin zu immer größe- ren und teureren Beschleuniger-Anlagen. Wer kennt nicht die wohl größte Teilchen-Maschine der Welt, den Large Hadron Collider (LHC) an der Europäischen Organisation für Kernfor- schung CERN im schweizerischen Genf. Hier werden Teilchen zur Kollision gebracht, die zuvor auf sehr hohe Geschwindig- keit – und damit auf höchste Energien – beschleunigt wurden. Nicht nur die Physiker aus den 20 europäischen Mitglieds- staaten erhoffen sich, dass die Teilchen-Kollisionen zu funda- mentalen Entdeckungen führen werden. Es geistert gar schon die Wendung von der „Entdeckung des Gottesteilchens“ durch die Medien. Eine Großanlage, an der auch das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf intensiv auf dem Gebiet Materie und Universum forschen wird, heißt FAIR, was eine Abkürzung von „Facility for Antiproton und Ion Research“ ist. Diese Anlage soll in den nächsten Jahren in Darmstadt am GSI Helmholtz- zentrum für Schwerionenforschung aufgebaut werden. Dort wird eine nie dagewesene Vielfalt an Experimenten möglich sein, durch die Physikerinnen und Physiker aus aller Welt neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums erwarten. Dabei interessieren sie sich sowohl für die Ereignisse direkt nach dem Urknall wie für die kernphysi- kalischen Vorgänge in Sternen und der Sonne. Dort entstehen auch heute noch die chemischen Elemente, aus denen wir alle bestehen. Die sichtbare Materie ist aus subatomaren Teilchen auf- gebaut: aus Quarks und Gluonen. Diese Grundelemente wiederum ergeben die Protonen und Neutronen, aus denen sich schließlich die Atomkerne zusammensetzen. Zusammen- gehalten werden die Atomkerne durch die Starke Kraft, die von den Gluonen getragen wird. Dieses allgemein akzeptierte Standardmodell der Teilchenphysik erklärt die uns bekannte Materie – offen ist allerdings die Frage, wie die Materie zu ihrer Masse kommt. Erschwerend kommt hinzu, dass nur etwa fünf Prozent des Universums aus bekannter Materie besteht, der Rest sind Dunkle Energie und Dunkle Materie. Welche Gesetze sich dahinter verbergen, aus welchen Teilchen die Dunkle Materie eigentlich besteht, womit die Dunkle Energie gemessen und beschrieben werden kann und wie genau die chemischen Elemente sich bilden konnten, sind einige der großen physikalischen Rätsel von heute. Sterne brennen neue Kerne Die Kern-Astrophysik beschäftigt sich seit vielen Jahren intensiv mit der Frage, wie die Atomkerne, aus denen alle uns bekannten Lebewesen auf der Erde bestehen, entstan- den sind. Direkt nach dem Urknall, so die Theorie, bildeten sich Protonen und Neutronen und aus ihnen die ersten drei Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium. Viel später werden im Inneren von Sternen die chemischen Elemente vom Kohlenstoff bis hin zum Eisen erzeugt. In den Randzo- nen schwerer Sterne, die am Ende ihres Lebens explodieren, vermutet man schließlich den Ort, wo die Elemente entstehen, die schwerer als Eisen sind. All diese Vorgänge nennt man Nukleosynthese. In unserer Sonne finden fortwährend Kern- fusionsreaktionen statt, die Energie und neue Atomkerne er- zeugen. Während die Astrophysiker die Prozesse in der Sonne inzwischen zumindest grob verstehen, geben Sternreaktionen mit Helium und Kohlenstoff noch viele Rätsel auf. Hier gibt es große Unterschiede zwischen Modellen und astronomischen Beobachtungen. Um astrophysikalische Szenarien sicher beschreiben zu kön- nen, benötigt man viele unterschiedliche Daten aus Experi- menten an Teilchen-Beschleunigern. // Einerseits geht es hierbei um Eigenschaften und Reak- tionen sehr kurzlebiger Kerne, die an der nächsten Ge- neration von Beschleunigern für radioaktive Ionen, wie zum Beispiel FAIR, hergestellt werden könnten. // Aussagekräftige Daten zu den Reaktionen stabiler Kerne bei hohen Beschleuniger-Energien liegen bereits vor. // Die astrophysikalisch relevanten Energien liegen aber recht niedrig, und für gesicherte Aussagen zu den Reak- tionen stabiler Kerne sind ebenfalls niedrige Beschleuni- ger-Energien nötig. Hier fehlen noch viele Daten. Astrophysiker interessieren sich nun dafür, wie oft und in welcher Weise ein Teilchenstrahl in einem Beschleuniger mit einem Probenmaterial, auch Target genannt, wechsel- wirkt. Diese Reaktionswahrscheinlichkeit wird durch den so genannten Wirkungsquerschnitt bestimmt. Niedrige Beschleuniger-Energien entsprechen nun zwar astrophysika- lischen Szenarien, aber sie haben den Nachteil, dass dort der Wirkungsquerschnitt niedrig ist, dass es also relativ wenige messbare Ereignisse gibt. Hinzu kommt, dass Störenfriede die Messung der Reaktionen durch Strahlungsdetektoren beeinflussen können. Solch ein Störenfried ist das Müon.

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