Geordnet auf Zukunftskurs

Es ist ein nach wie vor ungelöstes Rätsel, wieso Quarks als fundamentale Bausteine der Materie permanent in Hadronen eingesperrt sind und die Physiker noch nie ein ungebundenes Quark gesehen haben. Prof. Hans Ströher, Direktor des Instituts für Experimentelle Kernphysik II, erklärt: "Für diese experimentell gefundene Eigenschaft - wir sagen ,Confinement' dazu - gibt es bisher keine zufrieden stellende mathematische Rechtfertigung." Genauso ergeht es den Forschern mit der Frage, wieso die Natur aus einer Fülle möglicher Zustände nur bestimmte realisiert, andere aber zu ignorieren scheint. "Bisher kennen wir nur Teilchen, die entweder aus drei Quarks oder einem Quark-Antiquark-Paar bestehen", schildert Hans Ströher. "Theoretisch wären auch andere Kombinationen aus Quarks, Antiquarks und Gluonen möglich. In den bisherigen experimentellen Daten findet sich aber keinerlei Hinweis auf derartige Teilchen." Um der Lösung dieser Rätsel ein Stück näher zu rücken, wird in Jülich in den kommenden fünf Jahren ein neuer Linearbeschleuniger als "Anschieber" für COSY gebaut.

Neuer Anschieber für COSY

Protonenkreisel

Bildbeschreibung:
Bild 1: Protonenkreisel: Polarisierte Protonen - im Target wie im COSY-Strahl - sollen weitere Geheimnisse im Reich der kleinsten Teilchen lüften.

"Das Hauptziel, den nun schon über 40 Jahre alten Vorbeschleuniger JULIC durch einen neuen Linearbeschleuniger - genannt ,LINAC' - zu ersetzen, ist die Zeitersparnis!", sagt Prof. Rudolf Maier. Als Direktor des Instituts für Kernphysikalische Großgeräte ist er für den Bau des LINAC zuständig. "Mit dem neuen Vorbeschleuniger können wir Experimente, die bisher ein Jahr dauern würden, in einem Monat durchführen." Der Grund: Der bisherige Vorbeschleuniger speist nur zehn Prozent der Protonen, die eigentlich von der Quelle geliefert werden, in den COSY-Ring ein. Das wird sich mit dem supraleitenden LINAC drastisch verbessern. Rudolf Maier beschreibt die Erwartungen: "Wir rechnen mit einer Steigerung der Einspeisung um den Faktor zehn. Dadurch stehen uns praktisch alle vorbeschleunigten Protonen im COSY-Ring zur Verfügung - und damit wird es auch zehnfach mehr ,Ereignisse' geben. Gleichzeitig können wir den Protonenstrahl und die Protonen im Target polarisieren. COSY wird mit dem neuen LINAC völlig neue Einsichten in die innere Struktur der Hadronen erlauben."

Einen intensiven polarisierten Protonenstrahl auf ein polarisiertes Protonentarget zu lenken, das wird - da sind sich die Forscher einig - ganz besonders spannend. Polarisiert sind die Protonen, wenn ihre jeweiligen Spins in die gleiche Richtung weisen. Der Spin ist eine fundamentale quantenmechanische Eigenschaft der Teilchen ähnlich dem Drall eines Kreisels (Bild 1). Nukleonen haben immer einen Spin von 1/2, der sich in komplizierter Weise aus den Spins der Quarks (1/2) und der Gluonen (1) sowie deren Bahndrehimpulsen zusammensetzt. Richtet man nun sowohl die Spins aller Protonen des Strahls als auch der Zielprotonen gleich aus oder genau entgegengesetzt, versprechen die Messergebnisse wertvolle neue Erkenntnisse - beispielsweise über die Physik mit "seltsamen" Teilchen.

Polarisierte Seltsamkeit

Erzeugung polarisierter Wasserstoffatome

Bildbeschreibung:
Bild 2: Dr. Frank Rathmann und Dr. Hellmut Seyfarth, Physiker am IKP, testen die Erzeugung polarisierter Wasserstoffatome für das verdichtete Protonentarget: In einer Wasserstoffquelle (vertikaler Aufbau rechts, von der Decke bis zur Bildmitte) werden Wasserstoffmoleküle (H²) in Atome (H) aufgebrochen. Diese werden anschließend nach dem Elektronenspin sortiert und einzelne Kernspin-Ausrichtungen herausgefiltert. Die so erzeugten polarisierten Wasserstoffatome werden in der Speicherzelle - die demnächst eingebaut wird - mit dem COSY-Strahl beschossen. Ihre Polarisation wird mit einem Lambshift-Polarimeter gemessen (horizontal unten rechts, Universität zu Köln). Die Elektronikschränke enthalten die Steuer- und Regelungstechnik des Systems, die gemeinsam mit dem Zentrallabor für Elektronik (ZEL) entwickelt wurde.

"Wir erzeugen am COSY Teilchen mit seltsamen Eigenschaften - mit so genannter ,Strangeness'", sagt Prof. Josef Speth, Direktor des Instituts für Theoretische Kernphysik. "Sie entstehen, wenn zwei Protonen kollidieren: Heraus kommen ein Proton und ein Hyperon. Ein Hyperon ist ein Drei-Quark-Teilchen, das ein strange - oder seltsames - Quark enthält. Die Hyperonen, die wir am COSY erzeugen, heißen Lambda oder Sigma." Darüber hinaus entsteht beim Crash ein bestimmtes Meson, das Kaon, das ebenfalls einen strange-Baustein trägt. Als ob das noch nicht genug Teilchenchaos wäre, wechselwirken alle so erzeugten Teilchen während ihres Weiterflugs miteinander. Jetzt schlägt die Stunde der Polarisation, wie Josef Speth erläutert: "Wenn wir mit einem polarisierten Protonenstrahl auf polarisierte Protonentargets schießen, haben wir die Chance, diese komplexen Vorgänge quasi zu ,sezieren' und auch kleine Beiträge herauszufiltern."

Doch die Jülicher Forscher arbeiten nicht nur am Aufbau eines neuen Vorbeschleunigers, der mehr Protonen im Ring abliefert. Auch das Protonentarget soll um einen Faktor 100 "verdichtet" werden. Wissenschaftler des Instituts für Kernphysik (IKP) konstruieren zurzeit gemeinsam mit Forschern der Universitäten Erlangen und Köln und des russischen "Petersburg Nuclear Physics Institute" eine Wasserstoff-Speicherzelle, in welcher sie polarisierte Protonen (Wasserstoffkerne) speichern und schließlich mit dem COSY-Protonenstrahl bombardieren (Bild 2). Wie der LINAC soll auch die Speicherzelle die Anzahl der Crash-Ereignisse deutlich in die Höhe treiben.

"Bei einem solchen Protonen-Crash wird auf winzigem Raum eine Tonne Kraft ausgeübt", erläutert Prof. Kurt Kilian, Direktor des Instituts für Experimentelle Kernphysik I. "Die Baryonen bleiben unter dem enormen Druck zwar erhalten, aber in ihrem Innern werden sie ordentlich durchgeschüttelt. Die Quark-Spins können sich umordnen, strange-Quarks können up- oder down-Quarks ersetzen. Ob und wie sich der Spin der Baryonen und die Wechselwirkungen zwischen den Quarks durch den Crash ändern oder welche Spinrichtung die Quarks in neu entstandenen Hadronen haben, das können wir nur berechnen, wenn wir die ursprünglichen Eigenschaften der Teilchen genau kennen." Dann fasst er zusammen: "Unser erklärtes Ziel ist es, die Dynamik und innere Struktur der Kernbestandteile zu erkennen. Diesem Ziel werden wir mit LINAC und Polarisation, also mit vielen neuen Experimenten, ein gutes Stück näher kommen."