Panorama

Hyperkerne im Visier

22.10.2021 - Der WASA-Detektor in Darmstadt wird Teilchenspuren aus hochenergetischen Kernkollisionen verfolgen.

Ganz besonderen exotischen Atomkernen wollen die Wissenschaft­lerinnen und Wissenschaftler in der kommenden Experimen­tierzeit nachjagen: Hyper­kernen. Gewöhnliche Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich wiederum aus insgesamt drei Up- und Down-Quarks zusammensetzen. Ersetzt man eins der Quarks durch ein Strange-Quark, erhält man ein Hyperon. Atomkerne, in denen ein oder mehrere Hyperonen eingebaut sind, heißen Hyperkerne. Sie lassen sich mithilfe von Teilchen­kollisionen an Beschleunigern erzeugen. Anschließend können ihre Zerfälle in Messaufbauten wie dem WASA-Detektor und dem FRS am GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionen­forschung in Darmstadt beobachtet und ihre Eigenschaften im Detail untersucht werden.

„Die Hyperkerne könnten Licht auf die Vorgänge im Inneren von Neutronen­sternen werfen. Nach aktuellen Vorhersagen sollten Hyper­kerne dort sehr zahlreich vorkommen. Allerdings sind einige ihrer Eigen­schaften noch nicht hinreichend genau bekannt. Unter anderem wollen die Forschenden in den geplanten Experimenten die Bindungs­energie und die Lebensdauern von verschiedenen Hyper­kernen genauer bestimmen sowie neue Variationen entdecken“, sagt Takehiko Saito, leitender Wissenschaftler aus der GSI/FAIR-Forschungs­säule NUSTAR. „Dazu hat das schon früher bei GSI/FAIR durchgeführte HypHI-Experiment bereits entscheidende Vorarbeiten geleistet, stieß nun aber an seine Grenzen. Die Kombination aus WASA und FRS verspricht verbesserte Ergebnisse und Infor­mationen zu liefern. Der Detektor hat eine höhere Nachweis­effizienz für die Messung aller Zerfalls­produkte der Hyperkerne. In Zukunft wird auch die FAIR-Anlage, die gerade errichtet wird, umfassende neue Möglich­keiten zur Erforschung der Hyperkerne eröffnen.“

WASA steht für „Wide Angle Shower Apparatus”. Das Design erlaubt die Verfolgung einer großen Anzahl von Teilchen­spuren aus hochener­getischen Kern­kollisionen. So ist das Instrument dann auch eine riesige, fast geschlossene Kugel, die innen mit einer Vielzahl von Messgeräten bestückt ist, die teils wie Stacheln nach außen ragen. Sie bestehen aus Szin­tillations- und Gas­detektoren, die geladene und neutrale Teilchen nachweisen können. Im Inneren steckt ein supra­leitender Solenoid-Magnet, der mit flüssigem Helium auf vier Kelvin abgekühlt werden muss. Die meisten Teile des Detektors werden derzeit durch die inter­nationale WASA@FRS-Kolla­boration modernisiert. Einen großen Anteil an der Entwicklung und den Verbesserungen des Detektors trägt dabei das japanische Team der Kolla­boration.

Verant­wortlich für den technischen Aufbau des WASA-Detektors am FRS sind die beiden NUSTAR-Inge­nieure Tobias Weber und Philipp Schwarz. „Aufgrund der engen räumlichen Gegebenheiten war der kompakte und leistungs­fähige WASA-Detektor die beste Wahl für das Experiment am FRS“, erläutert Weber. „Wir mussten dazu Teile des FRS ausbauen, um Platz für WASA freizuräumen.“ Schwarz ergänzt: „Um den Detektor an seinen Einsatzort zu bringen, mussten wir die tonnen­schweren, aber höchst empfind­lichen Komponenten des Detektors mittels mehrerer Decken­kräne vorsichtig quer durch unsere Experimentier­hallen trans­portieren. Bisher hat alles gut und dem Zeitplan entsprechend geklappt. Demnächst können wir die Inbetrieb­nahme am FRS starten, damit für die Experimente nächstes Jahr alles bereit ist.“

Vor dem Einbau hat WASA schon einige Einsätze hinter sich gebracht. Der Aufbau wurde ursprüng­lich am Svedberg-Labor in Schweden und später am COSY-Ring des Forschungs­zentrums Jülich genutzt. Auch die Nutzung am FRS ist nur temporär. Im Anschluss an die Experimente wird er ausgebaut, so dass der FRS wieder bereit für weitere NUSTAR-Experi­mente zur Untersuchung exotischer Nuklide ist.

GSI / JOL

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Werkzeuge für die multiphysikalische Optiksimulation

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