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18.07.2014 | Messen mit dem Höllenhund

Erster Einsatz des CERBEROS-Detektorsystems

Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

CERBEROS-Setup

 

Vor dem Eingang des Hades, der griechischen Unterwelt, wacht der dreiköpfige Höllenhund Zerberus über das Kommen und Gehen. Das HADES-Experiment an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH musste bisher ohne einen Bewacher auskommen, aber das hat sich seit Mai 2014 geändert. Das neue Messsystem CERBEROS ging in Betrieb und kann anfliegende Pionen genau analysieren. Auch in der aktuell laufenden Strahlzeit ist es in Benutzung.

An HADES (High-Acceptance Di-Electron Spectrometer) untersuchen die Forscher die Aufprallreaktionen von beschleunigten Teilchen auf eine Materialprobe. Besonders interessieren sie dabei die Pionen. Sie gehören zur Gruppe der Mesonen, die jeweils aus einem Quark und einem Antiquark gebildet werden. Auf der Erde kommen sie nicht vor, nur im Weltall, aber die Forscher können sie künstlich herstellen. Dazu beschleunigen sie Stickstoff mit dem GSI-Teilchenbeschleuniger und lassen ihn auf lange Stäbe aus Beryllium prallen. Beim Durchtritt entstehen die Pionen und können mit Magneten aussortiert und gebündelt werden. Dank des für FAIR erfolgten Umbaus des GSI-Ringbeschleunigers können die Pionen nun auch in großer Anzahl für Experimente erzeugt werden. Im HADES-Aufbau bringt man sie gezielt zur Kollision mit anderen Teilchen und erzeugt noch seltenere Exoten.

"Ganz wichtig bei dieser Kollision ist der Impuls der Pionen", erklärt Professorin Laura Fabbietti von der Technischen Universität München, die das CERBEROS-System mit aufgebaut hat. "Den Impuls müssen wir mit einer Genauigkeit von einem Promille bestimmen. Deshalb haben wir CERBEROS entwickelt. Es hat drei Köpfe, genauso wie der Höllenhund. Weil es vor dem HADES steht, haben wir uns für den Namen entschieden." Die drei Köpfe des Systems sind drei Detektorkomponenten an unterschiedlichen Stellen: ein Diamantzähler und zwei Halbleiterdetektoren aus Silizium, einer bei der Pionenproduktion und einer am HADES-Aufbau.

Das besondere an den Halbleiterdetektoren ist die angeschlossene Elektronik. Normalerweise ist ein Detektor auf ein externes Signal angewiesen, das ihm sagt, zu welchem Zeitpunkt ein interessantes Ereignis zu beobachten ist und er die Messung aufnehmen soll. Das nennt man "triggern". In CERBEROS ist ein neuartiger Mikrochip, der n-XYTER, verbaut, der sich selbst triggern kann. Er entscheidet, ob ein Ereignis relevant oder uninteressant ist, und zeichnet nur die wichtigen Ereignisse auf. Kombiniert ist er mit der Ausleseelektronik TRB3, die besonders schnell und präzise ist. Der Diamantzähler hat eine Fläche von knapp 200 Quadratmillimetern und besteht aus neun monokristallinen Diamanten, die besonders schwer herzustellen sind. Alle Komponenten haben Forscher aus dem GSI-Detektorlabor und der -Experiment-elektronik in Zusammenarbeit mit verschiedenen Universitäten entwickelt.

Drei Jahre hat es gedauert, CERBEROS zusammenzubauen. Im Mai 2014 war es so weit und das System konnte in einer Strahlzeit am GSI-Beschleuniger in Betrieb gehen. Die erfolgreichen Messungen setzen die Forscher nun in aktuell laufenden Experimenten im Juli und August fort. Da das Konzept der selbst-triggernden Ausleseelektronik nicht auf die Messung von Pionen beschränkt, sondern sehr flexibel einsetzbar ist, können Teile des Systems auch an der internationalen Beschleunigeranlage FAIR, beispielsweise in den Experimenten zu Antimaterie PANDA und zu komprimierter Kernmaterie CBM,  Verwendung finden. FAIR befindet sich im Aufbau und wird an die bestehenden GSI-Beschleuniger angeschlossen. Auch Forschungsanlagen in Russland und in Japan haben schon Interesse signalisiert.


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CERBEROS-Setup
Masterstudentin Joana Wirth von der Technischen Universität in München justiert den CERBEROS-Messaufbau am HADES-Experiment bei GSI.
Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung