Ein Fenster zum Urknall: Der Bau des FAIR-Beschleunigers in Darmstadt

In der Wissenschaftswelt bekannt, im weiteren Umfeld eher unbemerkt, ist ein Mega-Bauprojekt im vollen Gange, das Forschenden aus aller Welt tiefere Einblicke in die Materie und die Entwicklung des Universums ermöglichen soll: der Beschleunigerring „Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)“ in Darmstadt. Er entsteht rund um das bereits bestehende GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.

Das GSI: Die Wiege der Schwerionenforschung

Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ist eine international renommierte Forschungseinrichtung, deren Hauptziel es ist, den Aufbau und das Verhalten der Materie zu erforschen. Die Besonderheit liegt im Einsatz von Schwerionen, das sind Atome, denen die Elektronen teilweise oder vollständig entrissen wurden. Mit seiner einzigartigen Beschleunigeranlage ermöglicht das GSI Forschungen in der Kern- und Teilchenphysik, der Atom-, Plasma- und Biophysik sowie der Materialforschung. Die Bedeutung des Zentrums zeigt sich auch in der Entdeckung von sechs neuen, superschweren chemischen Elementen.

Das GSI beherbergt neben dem FAIR-Projekt noch weitere Forschungseinrichtungen und Technologien, darunter:

• Die Entwicklung und Anwendung der Tumortherapie mit Ionenstrahlen (Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Heidelberg)
• TASCA, ein gasgefüllter Rückstoßseparator zur Trennung superschwerer Elemente
• Der HADES-Detektor zur Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen
• Der Green IT Cube als hochmodernes Rechenzentrum

Beschleunigung gestern und heute: Der Weg zu FAIR

Bisher beschleunigte GSI die Teilchen – darunter Ionen von allen auf der Erde vorkommenden chemischen Elementen – mithilfe eines komplexen Systems. Die erste Stufe bildet dabei der Linearbeschleuniger UNILAC. Hier werden die Ionen bis auf etwa 10% der Lichtgeschwindigkeit gebracht. Anschließend gelangen sie in den Ringbeschleuniger SIS18 (SchwerIonenSynchrotron 18). Der SIS18 hat einen Umfang von 216 Metern und beschleunigt die Ionen weiter, bis sie fast 90% der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Von dort aus können die Ionen bereits für Experimente genutzt oder in den Speicherring ESR (Experimenteller SpeicherRing) geleitet werden, um ihre Qualität weiter zu verbessern.

Der Quantensprung: Gründe für den Bau von FAIR

Der Neubau des internationalen Beschleunigerzentrums FAIR stellt eine massive Erweiterung der bestehenden GSI-Anlage dar und ist eines der größten Forschungsvorhaben weltweit. Das Herzstück der neuen Anlage ist der unterirdische, 1.100 Meter lange Ringbeschleuniger SIS100. Dieser wesentlich größere Ring soll eine neue Ära der Forschung einleiten.

Der Hauptgrund für diesen monumentalen Bau liegt in der Notwendigkeit, höhere Intensitäten und bessere Strahlqualitäten zu erreichen, um Phänomene erforschen zu können, die bisher unerreichbar waren. Der SIS100 wird die Intensität der Teilchenstrahlen im Vergleich zur SIS18-Anlage um ein Vielfaches erhöhen und kann Ionen aller natürlichen Elemente des Periodensystems sowie Antiprotonen liefern.

Mit dieser gesteigerten Leistung können Forschende im Labor Materiezustände erzeugen und untersuchen, die sonst nur im extremen Umfeld des Weltalls existieren: beispielsweise in Sternexplosionen, im Inneren großer Planeten oder kurz nach dem Urknall. Die Forschung an FAIR konzentriert sich auf vier Hauptsäulen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen über:

1. Die Struktur der Materie: Warum wiegt ein Proton so viel mehr als seine Einzelteile?
2. Die Entwicklung des Universums: Wie hat sich Materie nach dem Urknall verhalten?
3. Die Entstehung seltener Isotope: Erforschung instabiler Atomkerne, die für die Nukleosynthese wichtig sind.
4. Materie unter extremen Bedingungen: Untersuchung von Dichten und Temperaturen, wie sie in Neutronensternen vorkommen.

Die GSI-Anlage dient dabei als erste Beschleunigungsstufe für FAIR. Die Teilchen werden zunächst im SIS18 vorbeschleunigt und dann in den neuen SIS100 eingespeist. FAIR wird somit zum „Universum im Labor“ und zieht nach seiner Fertigstellung (voraussichtlich 2028) jährlich rund 3000 Gastwissenschaftler aus über 50 Ländern nach Darmstadt. Es ist ein faszinierendes Projekt, das die Grenzen unseres Verständnisses von Materie und Kosmos neu definieren wird.

Besonderes Augenmerk: Das PANDA-Experiment zur Antimaterie

Eines der zentralen und spannendsten Experimente, das im Rahmen von FAIR realisiert wird, ist das PANDA-Experiment. Der Name PANDA steht für AntiProton Annihilation at Darmstadt. Wie der Name verrät, liegt der Fokus hier auf der Antimaterie und deren Wechselwirkung mit normaler Materie.

Das Ziel von PANDA ist es, die Starke Kraft – jene fundamentale Wechselwirkung, die Quarks zu Protonen und Neutronen bindet und damit den Atomkern zusammenhält – detaillierter zu erforschen. Die Forschenden wollen dabei vor allem das Rätsel lösen, wie Materie zu ihrer Masse kommt.

Dafür wird im Experiment ein Strahl aus Antiprotonen (den Antiteilchen der Protonen) erzeugt. Dieser Strahl wird in den Hochenergiespeicherring HESR geleitet, eine weitere Komponente von FAIR. Die Antiprotonen kollidieren dort mit einem stationären Protonen-Target im Zentrum des riesigen PANDA-Detektors. Bei dieser Kollision treffen Materie und Antimaterie aufeinander und annihilieren sich gegenseitig in einem Energieblitz. Gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc² entsteht aus dieser reinen Energie neue Materie in Form von kurzlebigen Teilchen.

Indem die Wissenschaftler die Eigenschaften und Zerfallsprodukte dieser neu entstandenen Teilchen extrem präzise vermessen, erhoffen sie sich, die Theorie der Starken Kraft zu bestätigen und sogar bisher unentdeckte Teilchen aufzuspüren, die von der Theorie vorhergesagt werden. PANDA ist somit das ultimative Werkzeug, um in die geheimnisvolle Dynamik der kleinsten Materiebausteine einzutauchen und die grundlegenden Mechanismen der uns umgebenden Welt zu entschlüsseln.

Der Startschuß ist für 2028 geplant

Das FAIR-Projekt (Facility for Antiproton and Ion Research) ist eine der größten und komplexesten Forschungsbaustellen weltweit und befindet sich bereits in einer fortgeschrittenen Phase des Bau- und Installationsprozesses. Die riesigen Baugruben, die zeitweise fast eine Million Kubikmeter Aushub umfassten, sind geschlossen und wieder verfüllt. Der Ringschluss der unterirdischen Tunnelanlage ist erfolgt. Derzeit läuft die Montage des Herzstücks der Anlage: des SIS100 (SchwerIonenSynchrotron 100). Seit 2024 werden die supraleitenden Dipol-Magnete – 108 tonnenschwere Komponenten – in den 1,1 Kilometer langen Ringtunnel eingebracht und installiert. Dies ist ein entscheidender Schritt für die spätere Beschleunigung der Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit.

 

© Gerald Friederici 01/2026