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Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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Forschung bei GSI – Ein Überblick

Grundbausteine der Materie
Über 17 Zehnerpotenzen erstreckt sich das Forschungsprogramm bei GSI. Von der Modifikation von Materialien geht es weiter über die Zerstörung von Krebszellen und der Untersuchung von Atomen bis hin zur Erforschung von Atomkernen und dem Quark-Gluon-Plasma.

Das Forschungsprogramm von GSI erstreckt sich über den gesamten Aufbau der Materie: vom sichtbaren Bereich der Materie über Atome und Atomkerne bis hin zu den elementaren Bausteinen, den Quarks und Elektronen.

Zentrales Instrument für die Forschung bei GSI ist eine mehrere hundert Meter lange, mehrstufige Beschleunigeranlage für Ionen. Die Ionen, das sind elektrisch geladene Atome, werden auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und anschließend auf Materieproben, zum Beispiel eine dünne Metallfolie oder eine biologische Zellprobe, geschossen. Eine Analyse der dabei entstehenden "Trümmer", den neu entstandenen Teilchen, liefert neue Einsichten und Erkenntnisse über den inneren Aufbau und Ursprung der Materie in den untersuchten Systemen und die sie zusammenhaltenden Kräfte.

Kern- und Teilchenphysik

Im Bereich der kernphysikalischen Grundlagenforschung haben Untersuchungen zur Kernstruktur besonders hohen Stellenwert. Ein Beispiel dafür ist die Synthese und Entdeckung von sechs neuen Elementen des Periodensystems, die Elemente 107 bis 112. Auch das Studium der Eigenschaften exotischer Kerne - Atomkerne mit extremen Protonen- und Neutronenzahlen - hat zu neuen Erkenntnissen über die Entstehung der chemischen Elemente in den Sternen und Sternexplosionen geführt.

Ein weiteres großes Arbeitsgebiet der Grundlagenforschung bei GSI ist das Studium heißer und dichter Kernmaterie. Mit Schwerionenstrahlen lassen sich die vielen Erscheinungsformen von Kernmaterie, vom "flüssigen" Normalzustand über das freie Nukleonengas bis zur Auflösung der Kernbausteine in ein Quark-Gluon-Plasma, studieren. Auch dieses Forschungsgebiet hat erheblichen astrophysikalischen Bezug, denn die Wissenschaftler glauben, dass wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall die gesamte Materie des Alls als Quark-Gluon-Plasma vorlag. Ferner werden der dramatische Verlauf von Supernova-Explosionen und die Eigenschaften der dabei entstehenden Neutronensterne wesentlich durch das Verhalten verdichteter Kernmaterie bestimmt.

Atomphysik

Auch die Untersuchungen der Eigenschaften und Vorgängen in der Atomhülle sind Gegenstand des GSI-Forschungsprogramms. Beispielsweise wird durch Experimente an wasserstoffähnlichen Atomen - Atome mit nur einem Hüllenelektron - die Quantenelektrodynamik, die genaueste physikalische Theorie überhaupt, nunmehr bei höchsten Kernladungszahlen überprüft.

Plasmaphysik

In eine ganz andere Richtung zielen die Arbeiten zur Plasmaphysik. Durch Einstrahlung intensiver Ionenstrahlen in ein Gastarget lassen sich, aufgrund der sehr effektiven Deposition von Energie, sehr heiße und dichte Plasmen erzeugen. Diese Studien sollen dazu beitragen zu Verhältnissen vorzudringen, wie sie in Sternen oder im Inneren großer Planeten vorkommen.

Biophysik und Medizin

Das Verhalten von Zellen unter Ionenbeschuss ist ein Thema, mit dem sich die Forscher der Biophysik-Gruppe beschäftigen. Mit der bei GSI entwickelten Tumortherapie haben sie eindrucksvoll bewiesen, wie aus erkenntnisorientierter Grundlagenforschung eine Anwendung entstehen kann. Von 1997 bis 2008 wurden bei GSI mit großem Erfolg Tumorpatienten mit Ionenstrahlen behandelt. Dabei wurden mit beschleunigten Kohlenstoffionen Tumore im Kopfbereich bestrahlt, die mit bisherigen Behandlungsmethoden noch nicht therapiert werden konnten. In diesem Pilotprojekt kamen neu entwickelte strahlenbiologische und technische Methoden zum Einsatz. Die Methode ist mittlerweile im klinischen Routinebetrieb am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT im Einsatz.

Materialforschung

Aber auch die Eigenschaften eines Festkörpers lassen sich durch den Beschuss mit Ionenstrahlen gezielt verändern. Das ermöglicht innovative technologische Anwendungen im Werkstoffbereich, wie zum Beispiel die Herstellung von Membranen und die Modifikation von Materialien.

Die Suche geht weiter...

Trotz der enormen Fortschritte in der Physik gibt es noch viele ungelöste Fragen zum Aufbau der Materie und zur Evolution des Universums. Aus diesem Grund planen die Wissenschaftler bei GSI eine neue Beschleunigeranlage, bestehend aus einem 1100 Meter umfassenden Beschleunigerring und einem komplexen System aus Speicherringen: Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). An der Anlage werden hochintensive, hochenergetische Ionen und Antiprotonenstrahlen bester Qualität für die Forschung zur Verfügung stehen. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung genehmigte Projekt wird in internationaler Zusammenarbeit realisiert.

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Grundbausteine der Materie
Über 17 Zehnerpotenzen erstreckt sich das Forschungsprogramm bei GSI. Von der Modifikation von Materialien geht es weiter über die Zerstörung von Krebszellen und der Untersuchung von Atomen bis hin zur Erforschung von Atomkernen und dem Quark-Gluon-Plasma.
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung