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Forschungsziel - Dem Aufbau der Kernmaterie auf der Spur

Abbildung: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Die Einzelteile des HADES-Detektors sind in dieser Abbildung aufgefächert dargestellt.
Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Wolfgang Koenig ist Experte für den HADES-Detektor.

Um zu verstehen, wie die Kernbausteine aufgebaut sind und miteinander wechselwirken, schießen die Forscher bei GSI Atomkerne mit etwa 90 Prozent Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Dabei werden die Nukleonen einem massiven Druck ausgesetzt und verdichtet.

„Damit wir den Aufbau der Protonen- oder Neutronenhülle untersuchen können, sollen die Hüllen zweier Teilchen kurz überlappen“, sagt Dr. Wolfgang Koenig. Er ist Teil der Forschungsgruppe um den GSI-Großdetektor HADES und war als technischer Koordinator am Aufbau des Experiments beteiligt.

„Optimal ist es, wenn viele Protonen oder Neutronen direkt frontal aufeinandertreffen. Dann bilden sie für kurze Zeit ein gemeinsames System mit einer erhöhten Dichte.“ Dieses System hält nicht einmal ein Trilliardstel einer Sekunde, aber die Dichte des Systems zwingt die Quark-Antiquark-Paare zu einer Reaktion – sie lassen sich somit erst untersuchen. Bei diesen Reaktionen entstehen kurzzeitig besondere Teilchen mit hoher Masse, die in Elektron-Positron-Paare zerfallen.

Genau diese Elektron-Positron-Paare spürt HADES auf, denn sie verraten etwas über die Eigenschaften der Quark-Antiquark-Paare – und diese Eigenschaften sind es, mit denen die Wissenschaftler erklären möchten, woher die Masse der Kernbausteine kommt.

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Die Einzelteile des HADES-Detektors sind in dieser Abbildung aufgefächert dargestellt.
Wolfgang Koenig ist Experte für den HADES-Detektor.
Abbildung: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Suche nach dem Elektron im Teilchenhaufen

Abbildung: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Aufbau des Protons

HADES besteht aus sechs gleichartigen, im Kreis angeordneten Detektorsystemen. Ziel ist es, Elektron-Positron-Paare aufzuspüren. Es sind Zerfallsprodukte, die entstehen, wenn ein Quark-Antiquark-Paar (eben jene Bestandteile der Protonenhülle) auf weitere Protonen prallt. Dabei wird Energie zwischen dem Quarkpaar und den Protonen ausgetauscht. Das Quarkpaar zerfällt kurz danach. Dabei entstehen unter anderem auch Elektron-Positron-Paare.

„Wir messen die Elektron-Positron-Paare, weil sie nicht durch die starke Wechselwirkung mit anderen Kernbausteinen reagieren“, berichtet Wolfgang Koenig. „Sie tragen die Informationen, die wir benötigen, ohne Umwege in die Detektoren. Das Problem ist, dass sie nur sehr selten entstehen, die Wahrscheinlichkeit liegt bei 1 zu 10.000.“

Durch das Aufspüren bestimmter Elektron-Positron-Paare untersuchen die Forscher, wie sich die Wolken zweier Nukleonen überlappt haben. Daneben werden aber auch alle anderen Teilchen gemessen, die bei der Reaktion entstehen. Neben den Elektron-Positron-Paaren sind dabei Teilchen mit der Eigenschaft 'Seltsamkeit' (engl.: strangeness) von besonderem Interesse, da sie die Informationen aus der Untersuchung von Elektron-Positron-Paaren optimal ergänzen. HADES produziert dabei eine enorme Datenmenge. Die Wissenschaftler müssen die Signale des Detektors richtig lesen und deuten.

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Aufbau des Protons
Ein Proton: Die Quarks sind als große rote, gelbe und blaue Kugel zu sehen. Verbunden sind sie durch die grauen Gluonen. Außerdem existieren Quark-Antiquark-Paare, die entstehen und wieder verschwinden.
Abbildung: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Schritt für Schritt zur Wahrheit

Wie sieht die „Quark-Antiquark-Wolke“ aus und warum gibt es sie?

Das sind die elementaren Fragen des HADES-Experimentes. Ziel ist es, die Rahmenbedingungen zu schaffen, den Nukleonenaufbau und ihr Zusammenspiel auch theoretisch logisch beschreiben zu können. Die Messungen liefern nicht immer hundertprozentige Antworten, weiß Wolfgang Koenig: „Solche Messergebnisse lassen immer Raum für Interpretationen und Vorhersagen. Wir müssen uns Schritt für Schritt an die Wahrheit heran arbeiten.“