spannende pläne für die zukunft der physik: fair klaus goeke theoretische hadronen-physik...

Spannende Pläne für Spannende Pläne für die Zukunft der Physik: die Zukunft der Physik:

FAIR FAIR

Klaus Goeke Klaus Goeke

Theoretische Hadronen-Physik

Ruhr-Universität Bochum

Facility for Antiproton and Ion Research

FAIRFAIR

an der GSI-Darmstadt

Welt der Welt der Physik: heute Physik: heute

Welt der Physik: Welt der Physik: Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums

Hier muss Bild hin mit Universum und Entwicklung von links nach rechts

Fundamentale FragenFundamentale Fragen

Helle MaterieHelle Materie

Dunkle MaterieDunkle Materie

Dunkle EnergieDunkle Energie

Fundamentale FragenFundamentale Fragen

Helle MaterieHelle Materie Baryonen Atomkerne, Quarks: strange, charmBaryonen Atomkerne, Quarks: strange, charm Struktur der Materie, EntstehungStruktur der Materie, Entstehung Materie unter extremen Bedingungen, QGPMaterie unter extremen Bedingungen, QGP Ursprung der Masse, Rolle der QuarksUrsprung der Masse, Rolle der Quarks

Dunkle MaterieDunkle Materie Existenz im Universum indirekt gezeigtExistenz im Universum indirekt gezeigt Natur der DM-Teilchen unbekannt Natur der DM-Teilchen unbekannt

Dunkle EnergieDunkle Energie Existenz im Universum generell akzeptiertExistenz im Universum generell akzeptiert Physikalischer Ursprung unbekanntPhysikalischer Ursprung unbekannt

FAIRFAIR

• Primärstrahlintensitäten: Faktor 100 – 1000• Sekundärstrahlintensitäten für kurzlebige Kerne: bis zu einem Faktor 10 000• Ionenenergie: Faktor 15

Gewinnfaktoren

Spez. Eigenschaften• Intensive energiescharfe Strahlen kurzlebiger Kerne • Energiescharfe Antiprotonen- strahlen bis zu 15 GeV• Interne Targets für Experi- mente hoher Luminosität

Strahlen: Schnelle

hochgeladene Atomkerne

(Ionen)

Sekundärstrahlen: Strahlen aus radioaktiven

Reaktionsprodukten

Strahlen aus Anti-Protonen

Atom AtomkernAtom Atomkern

Relativistische Quantenfeld-Theorie mit Punkt-Teilchen

Quarks: Quanten Chromodynamik

Nukleon: Quarks und Nukleon: Quarks und GluonenGluonen

Proton: up up down

Neutron: up down down

Quarks: up down strange charm bottom top

Gluonen: Quanten der

starken Wechselwirkung

Kraft zwischen geladenen Teilchen Kraft zwischen geladenen Teilchen

1 22

1 22

el el

grav grav

q qK

rm m

Kr

Asymptotische Freiheit

ConfinementConfinement

Asymptotische Freiheit

ConfinementConfinement

Kraft zwischen zwei Quarks: 150000 N ~15 t

Stabile hadronische Stabile hadronische SystemeSysteme

3-Quark-Systeme: Baryonen: p, n, ,

Quark-Antiquark- Systeme: Mesonen: , K

existiert nicht

existiert nicht

Gibt es „exotische“

Systeme? 6 Quarks, reine Gluon-

bälle ??

Glue-Bälle und HybrideGlue-Bälle und Hybride

Crystal-Barrel: Hybride wurden mit hoher Crystal-Barrel: Hybride wurden mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits entdecktWahrscheinlichkeit bereits entdeckt

FAIR wird in großem Stil diese Objekte FAIR wird in großem Stil diese Objekte suchen und untersuchen suchen und untersuchen

Proton-Antiproton Kollisionen Proton-Antiproton Kollisionen

Graviton-Bälle ??

Graviton-Bälle ??

Theta+: Pentaquark-TeilchenTheta+: Pentaquark-Teilchen

Proton: uud

1997: In St.Petersburg/Bochum vorausgesagt (Soliton)1997: In St.Petersburg/Bochum vorausgesagt (Soliton) 2002: 11 große Beschleuniger in Japan, Russland, USA, 2002: 11 große Beschleuniger in Japan, Russland, USA,

Deutschland etc. haben das Pentaquark identifiziertDeutschland etc. haben das Pentaquark identifiziert 2004: 8 große Beschleuniger in USA und Deutschland 2004: 8 große Beschleuniger in USA und Deutschland

haben das Pentaquark nicht gefundenhaben das Pentaquark nicht gefunden Wenn existiert Wenn existiert FAIR: Proton-Antiproton-Kollsionen FAIR: Proton-Antiproton-Kollsionen

Theta+: uudds

Struktur Struktur des des

NukleonsNukleons

Masse des Masse des NukleonsNukleons

Masse Nukleon 1000

MeV

350 MeV

350 MeV

350 MeV

Masse 5-10 MeV

Gluon: Masselos

Masse Nukleon Wechsel-

wirkungsenergie

Masse des UniversumsMasse des Universums

Die Masse der hellen Materie im Universum stammt her von der Wechselwirkungs-energie der Gluonen und Quarks

Masse des UniversumsMasse des Universums

Die Masse der hellen Materie im Universum stammt her von der Wechselwirkungs-energie der Gluonen und Quarks

Forschung mit Forschung mit AntiprotonenAntiprotonen

High-Energy Storage Ring (HESR)

with detector PANDA

HESR

uud uud

PANDA

Charmonium-SpektrumCharmonium-Spektrum

( )cc

Quarks: up down strange charm bottom top

Hyper-Kerne mit „strange“ Hyper-Kerne mit „strange“ BaryonenBaryonen

-

:

:

:

n udd

uds

dss

Atomkern mit zwei -Teilchen,

oder zwei strange Quarks

Quarks: up down strange charm bottom top

Hyper-Kerne mit „strange“ Hyper-Kerne mit „strange“ BaryonenBaryonen

Stabile Atomkerne

1 strange Quark

2 strange Quarks

Keine strange Quarks

Quarks: up down strange charm bottom top

Proton-Antiproton AnnihilationProton-Antiproton Annihilation

Änderung der Masse in Kernmaterie

D cd

Radioaktive KerneRadioaktive Kerne

Super-Fragment Separator Produziert Strahlen instabiler

Kerne

Nukleon

Kern

Kern-Kern-KollisionKern-Kern-Kollision

Radioaktive Strahlen Radioaktive Strahlen

Instabiler, radioaktiver Kern: Sekundärstrahlen

Vielzahl neuer Reaktionen mit Anwendung auf :

Sterne, Sternentwicklung,

Entstehung der Elemente

Nuklid-KarteNuklid-Karte

Stabile Kerne

Thermonukleare Fusion bis zum

Eisen

Explosive Fusion zu schweren

Elementen (r-process)

Halokerne

Thermonukleares Brennen: Thermonukleares Brennen: Entstehung leichter Entstehung leichter

ElementeElemente

Fusion erzeugt Energie und

Strahlungsdruck

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen

H

Thermonukleares Brennen verhindert

gravitativen Kollaps durch

Strahlungsdruck aus dem Zentrum

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen

Fe He

Thermonukleares Brennen verhindert

gravitativen Kollaps durch

Strahlungsdruck aus dem Zentrum

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen

Fe C

Thermonukleares Brennen verhindert

gravitativen Kollaps durch

Strahlungsdruck aus dem Zentrum

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen

Fe O

Thermonukleares Brennen verhindert

gravitativen Kollaps durch

Strahlungsdruck aus dem Zentrum

O Si

Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen

Fe Si

Thermonukleares Brennen verhindert

gravitativen Kollaps durch

Strahlungsdruck aus dem Zentrum

Fe

i Fe

Ende des Brennens: FeEnde des Brennens: Fe

Fe Fe

Weiteres Brennen zu schwereren

Kernen würde Energiezufuhr

erfordern

Thermonukleares Brennen verhindert

gravitativen Kollaps durch

Strahlungsdruck aus dem Zentrum

Eisenkern: Gravitativer Eisenkern: Gravitativer Kollaps Kollaps

Fe

ee p n

Fe

....... im Prinzip zum Schwarzen Loch

Kollapps wird gestoppt: Elektronen

werden in die Protonen gedrückt und

Neutronen-Materie bildet sich

Implosion Implosion Explosion Explosion

Nachstürzende Materie wird am harten Neutronen-Core

reflektiert

Supernova-ExplosionSupernova-Explosion

Materie wird nach außen

geschleudert

Neutronen-Stern bleibt übrig.

Supernova-ExplosionSupernova-Explosion

Schockwelle rast durch den Rest-

Stern.

Neutrinos treiben die Schockwelle

Schwere Elemente werden durch Fusion

erzeugt.

Hülle wird abgestoßen

ee p n

SupernovaSupernova

Supernovae IISupernovae

Ia

Beschleunigte Expansion

Dunkle Energie

Krebs-Nebel Krebs-Nebel

Supernova-Explosion

China 1054 n.Chr.

Entstehung der ElementeEntstehung der Elemente

Neutronenstern: Hoher DruckNeutronenstern: Hoher Druck

Nukleon

KernQuark-Gluon Materie

confinement

de-confinement

DeconfinementDeconfinement

Quark-Gluon Materie

Quark-Gluon Materie

Materie unter extremen

Bedingungen

Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums

Hier muss Bild hin mit Universum und Entwicklung von links nach rechts

Temperatur

Dichte

Kollision und Kollision und DiagnoseDiagnose

Phasendiagramm Phasendiagramm KernmaterieKernmaterie

FAIR

Deconfinement

FAIR an GSI-DarmstadtFAIR an GSI-Darmstadt Forschung mit Strahlen instabiler IsotopeForschung mit Strahlen instabiler Isotope

Kerne weitab der Stabilität, ElemententstehungKerne weitab der Stabilität, Elemententstehung Nukleare AstrophysikNukleare Astrophysik

Forschung mit AntiprotonenForschung mit Antiprotonen Hadron-Spektroskopie, Hyperkerne, Medium-EffekteHadron-Spektroskopie, Hyperkerne, Medium-Effekte Quark-Gluon-Freiheitsgrade, nicht-pert. QCDQuark-Gluon-Freiheitsgrade, nicht-pert. QCD Antiprotonen, gebunden, niedrige Energie (FLAIR)Antiprotonen, gebunden, niedrige Energie (FLAIR)

Kern-Kern-Kollisionen bei hohen EnergienKern-Kern-Kollisionen bei hohen Energien Komprimierte und heiße Kernmaterie, PhasenübergängeKomprimierte und heiße Kernmaterie, Phasenübergänge Deconfinement, strange MaterieDeconfinement, strange Materie

Ionen- und Laser-induzierte PlasmenIonen- und Laser-induzierte Plasmen Höchste Energiedichten in Materie, Zustandsgleichung Höchste Energiedichten in Materie, Zustandsgleichung

Fundamentale Untersuchungen und Anwendungen Fundamentale Untersuchungen und Anwendungen QED starker Felder, Femtosekunden-LaserQED starker Felder, Femtosekunden-Laser

FAIR: ForschungFAIR: Forschung

Struktur des Nukleons, Herkunft der Masse, Struktur des Nukleons, Herkunft der Masse, Quark-Gluon-WechselwirkungQuark-Gluon-Wechselwirkung

Struktur der Atomkerne, Halo-KerneStruktur der Atomkerne, Halo-Kerne Strange Quarks in Kernen, Charmed QuarksStrange Quarks in Kernen, Charmed Quarks Herkunft der Elemente, Weisse Zwerge, Herkunft der Elemente, Weisse Zwerge,

Super-Novae, Neutronensterne, Super-Novae, Neutronensterne, SternentwicklungSternentwicklung

Dichte und heiße Kernmaterie, Quark-Gluon-Dichte und heiße Kernmaterie, Quark-Gluon-Plasma, frühe Phasen des UniversumsPlasma, frühe Phasen des Universums

Relativistische Quanten Chromodynamik Relativistische Quanten Chromodynamik unter allen Bedingungen, nicht-perturbativunter allen Bedingungen, nicht-perturbativ

Zukünftige Erweiterung: Zukünftige Erweiterung: Polarisierte Antiprotonen Polarisierte Antiprotonen

(PAX)(PAX)Transversity:

Wahrscheinlichkeit im

transversal polarisierten

Proton ein transversal

polarisiertes Quark zu finden

FAIRFAIR

FAIR

FazitFazit

Quarks: Große Abstände Quarks: Große Abstände ConfinementConfinement

Quarks: Kleine Abstände Asymptotische Freiheit

Kraft zwischen zwei Quarks: 15000 kg

Proton-Antiproton AnnihilationProton-Antiproton Annihilation

Änderung der Masse in Kernmaterie

D cd