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Atomphysik

Die Atomphysik an der GSI nutzt die einmaligen Möglichkeiten die sich aus der Verfügbarkeit von intensiven Strahlen hoch energetischer und/oder hochgeladener Ionen bis hin zu "nacktem" Uran U92+ und kurzlebigen Isotopen weitab der Stabilität ergeben. Die Kombination von leistungsfähigen Beschleunigereinrichtungen wie dem Schwerionensynchrotron (SIS) und dem Experimentier-Speicherring (ESR) ermöglichen neue und vielfältige Anwendungen. Neben klassischen atomphysikalischen Methoden wie beispielsweise der Röntgenspektroskopie, der Laserspektroskopie und der Untersuchung von atomaren Stoßprozessen, werden, in Kollaboration mit der kernphysikalischen Abteilung, unter anderem auch Massenmessungen und Messungen von Halbwertszeiten von kurzlebigen, radioaktiven Isotopen durchgeführt. Das Aktivitätsfeld der Atomphysik kann grob in folgende Unterpunkte unterteilt werden:

  • Spektroskopie hochgeladener Ionen
  • Dynamik und Reaktionen hochgeladener Ionen
  • Bestimmung der Grundzustandseigenschaften von Atomkernen mit physikalischen Methoden

Das Arbeitspferd der Atomphysik ist der ESR. Hochgeladene Ionen können hier über lange Zeiträume gespeichert und untersucht werden. Dabei wird z.B. der Einfang von Elektronen aus einem Elektronenstrahl oder bei der Kollision mit Wasserstoffatomen aus einem Gasjet untersucht. Aus den gemessenen Reaktionsraten und der Beobachtung der begleitenden Emission von Photonen lassen sich wichtige Informationen über die elektronische Struktur der Ionen ziehen. Dies ermöglicht beispielsweise präzise Tests der Quantenelektrodynamik, der fundamentalen Theorie der Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen. Die QED hat auf dem Sektor schwacher elektrischer und magnetischer Felder seither alle Tests mit Bravour bestanden und ist gewissermaßen der Prototyp aller Theorien, mit denen wir heute die fundamentalen Kräfte zwischen den Bausteinen der Materie beschreiben. Präzisionstests im Bereich sehr starker Felder stehen allerdings noch aus und die hochgeladenen Ionen bieten hier ein ideales Experimentierfeld, um solche durchzuführen. So erfährt z.B. das einzelne e- in U91+ elektrische Feldstärken, die 1 Mio. mal stärker sind als im Wasserstoffatom. Oftmals muss das notwendige Instrumentarium für diese Experimente jedoch erst geschaffen werden. So werden beispielsweise Detektoren für Röntgenstrahlen entwickelt, die es ermöglichen die Polarisation der beobachteten Photonen im Röntgenbereich, zu bestimmen. Solche Entwicklungen werden oft in Zusammenarbeit mit externen Partnern durchgeführt.

Zur Zeit entsteht in der Atomphysik auch eine neue Experimentieranlage (HITRAP), mit der die im ESR gespeicherten und abgebremsten Ionen, extrahiert, völlig gestoppt und in einer Penningfalle gespeichert werden können. Von dort können sie dann als sehr langsame und kalte Teilchen extrahiert und für weitere Experimente zur Verfügung gestellt werden. Ein weiteres Fallenexperiment hat kürzlich den Betrieb aufgenommen. An SHIPTRAP können die Produkte aus Fusionsreaktionen am SHIP-Separator untersucht und die Massen präzise bestimmt werden. Langfristiges Ziel ist hier die Massenmessung an superschweren Elementen.

Die Atomphysikgruppe an der GSI unterhält auch starke Verbindungen zu nationalen sowie internationalen Netzwerken und kollaboriert mit vielen Universitäten und Forschungszentren in der ganzen Welt. Außerdem sind hier mehrere Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppen beheimatet.

In den kommenden Jahren wird die GSI zu einem internationalen Beschleunigerzentrum für die Forschung mit Ionen und Antiprotonen ausgebaut (FAIR). Die Atomphysik wird viele neue Experimente an der neuen Beschleunigeranlage aufsetzen, beispielsweise am Beschleunigerring SIS100/300, an dem neuen Super-Fragmentseparator (S-FRS) und dem neuen Experimentellen Speicherring (NESR). Die beiden großen Kollaborationen SPARC und FLAIR werden dabei im Wesentlichen von der Atomphysik getragen. Die SPARC-Kollaboration setzt sich hierbei zum Ziel, die Physik sehr starker elektromagnetischer Felder mittels hochgeladener Ionen zu untersuchen, für die FAIR einzigartige Möglichkeiten bietet. Beispielsweise werden Experimente diskutiert, die die extrem kurzen und starken Feldpulse (Sub-Attosekunde) ausnutzen, um die korrelierte Vielteilchendynanik atomarer System zu untersuchen. Auch sollte die Erforschung quanten-elektrodynamischer Effekte in starken Feldern mit einer bislang unerreichten Präzision möglich werden. Mit FLAIR hingegen wird sich der Atomphysik ein ganz neues Betätigungsfeld erschließen: Experimente mit langsamen Antiprotonen, die hier in großer Zahl zur Verfügung stehen und neuartige Experimente mit Antimaterie erlauben werden. Aber auch für die Untersuchung exotischer Atomkerne eröffnen sich hierdurch neue Perspektiven: Der S-FRS wird die Möglichkeit bieten, neue Isotope vieler Elemente erstmals zu erzeugen, die dann z.B. mittels Laserspektroskopie (LaSpec), Massenspektrometrie in Teilchenfallen (MATS) oder im neuen Experimentier-Speicherring (NESR, ILIMA) untersucht werden können. Außerdem gibt es die Möglichkeit, Reaktionen mit relativistischen radioaktiven Strahlen (R3B) oder exotische Nuklide mit leichten Ionen (EXL) zu untersuchen.