Neuer Beschleuniger: Auf Raumschiffe schießen

Kurz nachdem die Physiker am Genfer Teilchenbeschleuniger LHC die Entdeckung des Higgs-Bosons feierten, fiel der Startschuss für den Bau eines weiteren Großbeschleunigers. Die Anlage namens FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) entsteht in den kommenden sechs Jahren beim GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Sie kostet 1,6 Milliarden Euro. Den größten Teil zahlen das Land Hessen und der Bund: Für FAIR bewilligte das Bundesforschungsministerium mit 526 Millionen Euro den höchsten Förderbescheid in seiner Geschichte. Den Rest der Kosten teilen sich Partner aus neun Staaten.

Wenn die Anlage fertig ist, besteht sie aus einem Doppelringbeschleuniger mit 1100 Meter Umfang, 24 Gebäuden und Tunnelabschnitten, etlichen Speicherringen und Experimentierstationen. Hier wollen die Forscher Ionen auf hohe Geschwindigkeiten bringen und anschließend in Materialproben schießen. Doch reicht der leistungsfähigste Ringbeschleuniger der Welt, das LHC, nicht aus? „Die Ziele sind deutlich andere“, sagt Arnulf Quadt, Physiker an der Universität Göttingen. So soll FAIR alle möglichen geladenen Teilchen beschleunigen, einschließlich Antiprotonen. Am LHC dagegen liegt der Schwerpunkt auf dem Beschleunigen von Protonen. Zudem arbeitet die Darmstädter Maschine bei niedrigeren Strahlenergien, aber höheren Strahlintensitäten und kann andere Fragen untersuchen.

Man wolle etwas über die „starke Kraft“ herausfinden, eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur, sagt Günther Rosner, Forschungsdirektor und administrativer Geschäftsführer bei FAIR. Diese Kraft zwinge bestimmte Elementarteilchen – die Quarks – dazu, sich zu Paaren oder Dreiergruppen zu verbinden. Dabei entstehen unter anderem Neutronen und Protonen, die Bausteine der Atomkerne. „Wir wollen wissen, wie die Quarks aneinander gefesselt werden und auf welche Weise ihr Verbund seine Masse erhält“, sagt Rosner.

Haben Physiker nicht gerade den Higgs-Mechanismus bestätigt, der erklärt, wie Elementarteilchen ihre Masse bekommen? „Bei zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen kommt etwas hinzu“, sagt Rosner. „Sie erhalten ihre Masse nur zu einem Prozent durch den Higgs-Mechanismus.“ Der Rest entstünde durch Bewegungs- und Wechselwirkungsenergien der aneinandergebundenen Quarks. „Das ist ein ganz merkwürdiges Verhalten, das wir in Darmstadt erforschen wollen.“

Die Physiker planen, Antiprotonen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen und dann mit ihren Gegenstücken, den Protonen, zusammenstoßen zu lassen. Dies bringt unter anderem Charmonium-Teilchen hervor, die aus einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark bestehen. Die Charmonium-Zustände wiederum könnten etwas über die starke Kraft verraten, die die Quarks zusammenzwingt, meinen die Forscher. Auch die Frage, woher die Masse von Protonen, Neutronen und anderen zusammengesetzten Teilchen stammt, sollen Antiprotonen-Experimente klären. Zudem möchten die Physiker mit Antiprotonen neue Materieformen erzeugen, etwa Gluonenbälle – eine Art Energieknäuel – und Quarkmaterie.

Der Teilchenbeschleuniger FAIR soll auch Anwendungen wie der Kernfusion dienen, die sich in Zukunft vielleicht als Energiequelle nutzen lässt. „Wir wollen Uran-Ionen beschleunigen und dann in eine Materialprobe schießen“, sagt Rosner. Dabei entstehe ein Gas aus geladenen Teilchen, ein Plasma. Je höher das Tempo des Einschusses, desto heißer und dichter ist das Plasma. Übersteigen die Werte eine bestimmte Schwelle, beginnen die Atomkerne zu verschmelzen: Trägheitsfusion setzt ein. „Uns interessiert, ob man diesen Zustand mittels Teilchenbeschuss herbeiführen kann – etwa mit hohlzylinderförmigen Ionenstrahlen, die das Plasma implodieren lassen“, sagt Rosner. Eine solche Technologie könne eine Alternative zu den teuren Hochleistungslasern sein, mit denen man heute Fusionsplasmen erzeuge.

Auch über die Risiken von Teilchenstrahlung erhoffen sich die Physiker neue Erkenntnisse. Um zu erforschen, wie kosmische Strahlung auf Satelliten oder Raumschiffe wirkt, wollen sie mit schweren Ionen auf Komponenten von Raumfahrzeugen schießen und schauen, wie die Technik auf das Bombardement reagiert und welche Abschirmmethoden besonders wirksam sind. Es lässt sich auch untersuchen, wie die Ionen mit den Raumschiffwänden wechselwirken und in welchem Ausmaß dabei Sekundärstrahlung entsteht, die für Raumfahrer potenziell gefährlich ist. Das hilft, Risiken für die Astronauten abzuschätzen.

FAIR ist nicht das erste Mal in den Schlagzeilen. Schon 2007 war der Startschuss für den Bau bekannt gegeben worden. Damals unterzeichneten die Vertreter der Partnerstaaten ein gemeinsames Kommuniqué, von deutscher Seite signierten Bundesministerin Annette Schavan und der damalige hessische Ministerpräsident Roland Koch. Nun aber, mit dem 526-Millionen-Bescheid des Bundesforschungsministeriums, scheint der Bau tatsächlich anzulaufen.