panda - FAIR

Report
Reise ins Innerste der Materie
Forschung an der neuen
Teilchenbeschleunigeranlage
Günther Rosner
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.12
1
Facility for Antiproton and Ion Research
Günther Rosner
Wissenschaft für Alle, GSI Darmstadt,
15.2.12
2
FAIR-Beschleunigeranlage
Grundlagenforschung
o Kern- und Teilchenphysik
o Astrophysik
o Atomphysik
o Plasmaphysik
p-Linac
SIS18
SIS100/300
Angewandte Forschung
o Materialwissenschaften
o Biophysik/Medizin
o Weltraumforschung
FAIR-Eigenschaften
o Derzeit größtest Projekt
der Kern- und Teilchenphysik
(> 1 Milliarde € Invest.mittel)
o Kompakte Bauweise durch
Ringbeschleuniger
o Millionenfache Nutzung
des Strahls in Speicherringen
Günther Rosner
Hochtechnologie-Entwicklung
o Effiziente, schnelle
Teilchenbeschleuniger
o Hochauflösende
Magnetspektrometer
o Empfindliche Licht- und TeilchenDetektoren
o Hochvakuum-Technologie
CR &
RESR o Schnelle elektronische
Datenerfassung
CryRing
o Energie-effiziente
NESR
Computertechnologie
100 m
HESR
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3
Beschleuniger
Kompakt & kosteneffektiv
Supraleitende Magnete
dB/dt ~ 4T/s
Schnelle Beschleunigung
Ferrit & MA Kavitäten
Großer Gradient, variable Frequenz
XHV @ Hoher Strahlintensität
Hochvakuum ~10-13 mbar
Hohe Strahlqualität
Elektronen & stochastische Kühlung
Günther Rosner
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4
Skalen des Universums
Quarks
< 10-18 m
0,000.000.000.000.000.001 m
Atomkern
10-14 m
Nukleon
10-15 m
Atom
10-10 m
Kristall
10-9 m
DNA
10-8 m
Materie
10-1 m
0,000.000.000.1 m
0,000.000.01 m
1m
Sterne, Planeten
108 m
Galaxie
1021 m
Günther Rosner
0,000.000.000.000.01 m
100.000.000 m
1.000.000.000.000.000.000.000 m
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5
Elementare Bausteine
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6
Rätsel I
1) 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.
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7
Rätsel II
5) Quarks kommen nicht in freier Natur vor. Sie sind
in stark wechselwirkenden, nicht elementaren
Teilchen (Hadronen) zu zweit oder dritt eingesperrt.
Proton (p)
938 MeV/c2
u
d
Neutron (n)
939 MeV/c2
u
d
π140 MeV/c2
u
d
u
d
Baryonen
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Mesonen
8
Rätsel III
6) Normale (schwere) Materie besteht aus fast
masselosen „up“ und „down“ Quarks.
 99% der Masse des sichtbaren Universums ist
eigentlich Energie!
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9
Quanten-Chromo-Dynamik
QED:
QCD:
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10
Aufbau der (Quanten-) Materie
LHC @ CERN
FAIR
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FAIR-Experimente: PANDA
PANDA
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12
Exotische Hadronen
PANDA @ FAIR
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Anti-Proton Annihilation @ DA
PANDA
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14
Exotische Mesonen
QCD Gitterrechnungen
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15
Schwere Energiebälle
• Exotische “Gluebälle”,
(Oddballs) mit für
normale Mesonen
verbotenen
Quantenzahlen
– m(2+-) = 4.140 GeV
– m(0+-) = 4.740 GeV
• Lange Lebensdauern
von QCDGitterrechnungen
vorhergesagt.
Morningstar & Peardon, PRD60(1999)34509
Morningstar & Peardon, PRD56(1997)4043
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FAIR-Experimente: CBM
CBM
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Hadronen in Kernen
Vakuum
• Vorhersage: Änderung der
Hadronenmasse
Kern
p25 MeV
p+
K+
p
K
100 MeV
KD
o aufgrund partieller
Wiederherstellung der Chiralen
Symmetrie


Leichte Quarks sensitiv auf QuarkKondensat im Vakuum
Mesonen mit schwereren Quarks
sensitiv auf Gluonen-Kondensat
 Spontane Symmetriebrechung
D-
50 MeV
D+
Hayaski, PLB 487 (2000) 96
Morath, Lee, Weise, priv. Comm.
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18
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19
Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie
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20
Hohe Baryonendichte @ CBM
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21
Diagnostische Sonden der dichten Phase
Bisher keine Messung bei FAIR Energien
FAIR-Experimente: NuSTAR
SuperFRS
NuSTAR
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FRS und Super-FRS im Vergleich
FRS
Super-FRS
150m
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24
Nuklidkarte
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25
Anzahl der Protonen
Elementsynthese in Sternen
Fe
Pfad der Elementsynthese in
Sternexplosionen (Supernova)
Anzahl der Neutronen
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26
NuSTAR
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15.2.12
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FAIR-Experimente: APPA
APPA
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Temperature [eV]
Plasmen
Inertial
Fusion
Energy
Magnetic Fusion
XFEL
Sun Core
PHELIX
Laser
Heating
FLASH
SIS
100
Ion Beam
Heating
SIS 18
Jupiter
Sun Surface
solid state
density
Teilchen / cm3
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Große elektromagnetische Felder
Laser
Schwerionen
entspricht
I ≥ 1028 W/cm2
(adapted from Mourou, Tajima, Bulanov, RMP 78, 2006)
10-15 s Pulse
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10-21 s Pulse
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Paritätsverletzung
e
e
Energy levels of He-like uranium
e
e
2E1 (PNC)

Z
N
N
N
N
Mischung zwischen Zuständen
entgegengesetzter Parität:
 
 S G F / 2 2 QW  N  5  P
ES - EP
Kleine Energiedifferenz!
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Nuklearmedizin
Kleinzelliges Lungenkarzinom
12C
Therapie
@ GSI
Adenoid-zystisches
Karzinom
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32
ESA @ GSI & FAIR
G C R C h a rg e C o n trib u tio n s
100
% C o n tr ib u tio n
F re e S p a c e
10
F lu e n c e
D ose
D ose Eq.
1
0 .1
0 .0 1
0 .0 0 1
0
5
10
15
20
25
30
C h a rg e N u m b e r
Durante & Cucinotta, Nature Rev. Cancer (2008)
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Modularisierte Startversion
M0
M3
M1
CBM/HADES
M3
M2
APPA
Experimente
M1:
M1:
M2:
M3:
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PANDA
APPA
CBM/HADES
NuSTAR
PANDA
NuSTAR
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Zeitlicher Ablauf
2011
2012
6 7
89
2013
2014
2015
2016
10
6
Bauanträge
7
Baustelleneinrichtung
8
9
Ausschreibungen Bau
2017
2018
11
12
2019
Bau der Beschleuniger- und Detektorkomponenten
10 Fertigstellung Rohbau
11 Installation Beschleuniger und Detektoren
12 Datennahme
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35
Probebohrungen 31.8.11
Günther Rosner
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36
Baufeldfreimachung 6.12.11
Günther Rosner
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37
Vielen Dank!
Günther Rosner
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