Erfolgreicher Umbau des GSI-Ringbeschleunigers

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1 target GSI-MAGAZIN Ausgabe Nr. 11 April 2014 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Erfolgreicher Umbau des GSI-Ringbeschleunigers Nach über einjährigen Arbeiten ist der große Ringbeschleuniger wieder in Betrieb gegangen. Dadurch sind die ersten technischen Voraussetzungen geschaffen, damit er in Zukunft als Vorbeschleuniger für die Beschleunigeranlage FAIR dienen kann. Lesen Sie mehr auf Seite 7

2 target NACHRICHTEN Saudi-arabischer Supercomputer SANAM geht von Darmstadt aus auf Reisen Liebe Leserinnen und Leser, die Arbeiten auf der FAIR-Baustelle gehen gut voran, schon bald werden die letzten Bohrpfähle gesetzt, auf denen die neue Beschleunigeranlage ruhen wird. Auf politischer Ebene sind die Weichen gestellt für eine baldige Verschmelzung von GSI und FAIR zu einer gemeinsamen Gesellschaft. Es wird wieder zusammenwachsen, was zusammen gehört. Der ohnehin engen Zusammenarbeit kann dies nur förderlich sein. Erfreulich ist die Nachricht über die Wiederinbetriebnahme unseres Ringbeschleunigers nach über einem Jahr Stillstand, in dem die Maschine für ihre Rolle als Vorbeschleuniger für die FAIR-Anlage umgebaut wurde. Dabei muss die eine oder andere Herausforderung von unseren Experten gemeistert werden. Die Betriebsphase soll den Beschleunigerphysikern Maschinentests für neue Komponenten und den Wissenschaftlern eine wichtige Kontinuität in ihrer Forschungsarbeit ermöglichen., damit das GSI-Renommee erhalten bleibt und wir das wissenschaftliche Personal bei uns haben, um nach Inbetriebnahme von FAIR direkt mit dem Experimentieren durchzustarten. Viele Komponenten für FAIR sind schon bei uns und werden in den folgenden Monaten getestet. Wir können es kaum erwarten, sie in die neue Anlage einzubauen. Im Namen der GSI-Geschäftsführung wünscht Ihnen viel Vergnügen beim Lesen Horst Stöcker Wissenschaftlicher Geschäftsführer Professor Volker Lindenstruth (r.), FIAS-Vorstandsvorsitzender, Professor an der Goethe-Universität Frankfurt und Leiter der GSI-IT, überreicht symbolisch eine SANAM-Komponente an Prinz Dr. Turki. Der saudi-arabische Supercomputer SANAM, der bisher für Testläufe bei GSI aufgebaut war, geht auf Reisen in die saudi-arabische Hauptstadt Riad. Seine Hoheit Prinz Dr. Turki bin Saud bin Mohammad Al Saud, Vizepräsident des saudi-arabischen Forschungszentrums King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) in Riad, übernahm im Januar 2014 in Darmstadt offiziell den Höchstleistungsrechner, der zu den schnellsten und umweltfreundlichsten Computern der Welt zählt. Er wurde als Gemeinschaftsprojekt des KACST und des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) entwickelt. Bei seiner Inbetriebnahme Ende 2012 belegte SANAM in der weltweiten Rangliste der energiesparendsten Rechner Rang zwei, bei der Rechengeschwindigkeit Rang 52. Der arabische Name SANAM drückt Leistung und Effizienz aus und bezeichnete ursprünglichen den Kamelhöcker, in dem Fett gespeichert wird, das dem Kamel über zwei Wochen das Überleben sichert. Mit einer gesamten Rechenleistung von 532 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde gehört SANAM auch nach über einem Jahr noch zu den 100 schnellsten Computern der Welt (Platz 59), in der Energieeffizienz liegt er mittlerweile auf Rang 11. Im Nahen Osten hält er die Spitzenposition. SANAM wird am KACST für Berechnungen in Seismik, Luftfahrt, Bioinformatik, Wetterforschung und Simulationen eingesetzt. Die Entwicklung hat etwa drei Millionen Euro gekostet. SANAM ist eine Weiterentwicklung des Frankfurter Höchstleistungsrechners LOEWE-CSC, der bei seiner Inbetriebnahme vor drei Jahren der energiesparendste Großrechner Europas war. Er benutzt ein spezielles Kühlsystem und verwendet als Beschleuniger handelsübliche Hochleistungs-Grafikkarten, wie sie auch in Arbeitsplatzcomputern eingesetzt werden. Der Entwickler des Systems Professor Volker Lindenstruth sagte: Die moderne Forschung ist entscheidend auf immer schnellere Supercomputer angewiesen. Sie können in Zukunft aber nur sinnvoll eingesetzt werden, wenn Energieeffizienz ein entscheidendes Kriterium ist. Wir freuen uns, dass wir in Zusammenarbeit mit einem ambitionierten Forschungsland neue Technologien für eine immer bessere Energieeffizienz entwickeln können und dabei neue Maßstäbe setzen. Seite 2

3 target NEUES VON DER FAIR-BAUSTELLE Fusion von FAIR und GSI schneller als geplant Der Bund und das Land Hessen haben sich darauf verständigt, die Verschmelzung der beiden Darmstädter Gesellschaften zum Betrieb von Teilchenbeschleunigeranlagen, der FAIR GmbH und der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, früher als geplant anzustreben. Auf einer Mitarbeiterversammlung am 23. Januar 2014 informierte GSI-Ausichtsratsvorsitzende Dr. Beatrice Vierkorn-Rudolph die GSI- und FAIR-Mitarbeiter über den aktuellen Stand. Bohrpfahlarbeiten bald abgeschlossen Bauherr und verantwortlich für den späteren Betrieb der sich im Bau befindenden FAIR-Anlage ist die FAIR GmbH. Rund drei Viertel der Anteile an der FAIR GmbH hält GSI im Auftrag vom Bund und dem Land Hessen, ein Viertel der Anteile halten die acht Partnerstaaten Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Slowenien und Schweden. Großbritannien ist assoziiertes Mitglied. Die beiden Anlagen werden technisch verbunden sein: Die bestehenden GSI-Beschleuniger werden als Vorbeschleuniger für die FAIR-Beschleunigeranlage dienen. Die Schalungen für die Bohrpfähle werden aufeinander geschraubt und schrittweise im Bohrloch versenkt. Nach dem Aushub wird mit Beton aufgefüllt. Bau-Journalisten besuchen FAIR-Baustelle Voraussichtlich ein halbes Jahr früher als geplant werden die Vorarbeiten für den Bau von FAIR abgeschlossen werden. Mehr als die Hälfte der insgesamt rund Bohrpfähle zur Stabilisierung des Baugrunds sind jetzt hergestellt. Sie werden dafür sorgen, dass sich die Gebäude nur wenig und vor allem gleichmäßig setzen. Da der Baugrund bis in große Tiefen aus Sand, Ton und Schluff besteht, stabilisieren die mit Stahl verstärkten Betonpfähle den Untergrund und tragen die Fundamente der Bauwerke. Im Sommer 2014 werden die Bohrpfahlarbeiten voraussichtlich beendet sein. Bis zum Beginn des Rohbaus werden noch verschiedene kleinere Arbeiten auf der Baustelle abgeschlossen. Zum Beispiel sollen auf dem Baugebiet Containerbüros für die Bauleitung und ein Container mit einem Besucherzentrum entstehen. Die Verschmelzung war bereits 2010 zwischen den Partnerstaaten spätestens für den Betriebsbeginn vereinbart worden. Die Partnerländer haben bereits ihre Bereitschaft zur vorgezogenen Verschmelzung signalisiert. Vertragliche Details sollen in diesem Jahr ausgearbeitet werden. Rund 40 Bau-Fachjournalisten haben im Oktober 2013 die FAIR-Baustelle besucht, um sich die dort arbeitenden Drehbohrgeräte anzusehen. Zwei dieser Maschinen sind die größten Drehbohrgeräte auf dem europäischen Markt vom Typ LB44. Sie wurden von Liebherr entwickelt und setzen auf der FAIR-Baustelle Bohrpfähle in den Boden, um damit den Baugrund für die Gebäude und empfindlichen Detektoren von FAIR zu stabilisieren. Die Journalisten kamen aus Australien, Brasilien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Kanada, den Niederlanden, Österreich, Russland, Schweden, der Schweiz, Spanien und Südafrika und interessierten sich auch für Kern- und Teilchenphysik und die Hintergründe zum Bau der FAIR-Anlage. Die Reise wurde von der Firma Liebherr International organisiert und führte noch zwei weitere Tage zu interessanten Baustellen in Deutschland und Frankreich. Seite 3

4 target NACHRICHTEN GSI ScienceTweetup Kooperation mit Beilstein GSI-Filme auf YouTube Wissenschaftler bei GSI erzeugen neue Elemente, erforschen Supernovae, Antimaterie oder Glueballs und behandeln Tumore und das alles mit einem Teilchenbeschleuniger. Wie funktioniert das? Kann man das als Nicht-Physiker überhaupt verstehen? In sechs englischsprachigen Film-Clips erzählen sechs Forscherinnen und Forscher von ihrer Arbeit an FAIR und GSI. Die Teilnehmer des GSI ScienceTweetups im Ringbeschleuniger. Am 5. Dezember 2013 fand das GSI #ScienceTweetup in Darmstadt statt. Seit der Inbetriebnahme im Jahr 1990 durften die elf Teilnehmer als erste Besuchergruppe an diesem Tag den Ringbeschleuniger SIS18 besichtigen. Insgesamt wurden etwa 330 Tweets unter dem Hashtag ScienceTweetup gesendet, 200 Bilder wurden geschossen und einige Videos gedreht. Über viele soziale Netzwerke ließen die Gäste des GSI ScienceTweetups ihre Follower- Communities an ihren Erlebnissen bei GSI teilhaben. Nach dem ausführlichen Rundgang im Ringbeschleuniger besichtigten sie das FAIR-Baufeld und informierten sich über die neue Teilchenbeschleunigeranlage. Anschließend sahen sie ausgewählte Experimentierplätze, den Linearbeschleuniger und den Hauptkontrollraum. Grüße von der Enterprise Brücke #Kontrollraum #sciencetweetup, twittert Tobias Liebert dazu. Im Targetlabor erfuhren die Teilnehmer, wie die kleinen Folien hergestellt werden, auf die der Teilchenstrahl geschossen wird. Anschließend durften sie selbst ein Kohlenstoff-Target aus dem Wasserbad auf einen Rahmen aufziehen. Beim Science-Speeddating stellten die Twitterer, Blogger und Podcaster im kleinen Kreis ihre Fragen direkt an vier Wissenschaftler von GSI und FAIR. Tweetup-Storify: securl.de/1a5lw Dieses Film-Projekt wurde vom Beilstein-Institut initiiert. Die Stiftung betreibt unter anderem ein TV-Portal, auf dem Filme von Wissenschaftlern für Wissenschaftler gezeigt werden. In Kooperation mit GSI entstanden die sechs Filme, die auch für die breite Öffentlichkeit verständlich sein sollen. Kleinste Teilchen und Magnetfelder, die bei GSI eine große Rolle spielen, hat Ilka Brosch mit ihren Zeichnungen sichtbar gemacht. Mehr Informationen: youtube.com/gsihelmholtzzentrum Zeichnerin Ilka Brosch hat die sechs Filme mit anschaulichen Bildern illustriert. Erstes Chinesisch-Deutsches Symposium zur Speicherringphysik in Lanzhou Vom 6. bis 11. November 2013 fand in Lanzhou, China, das erste Chinesisch-Deutsche Symposium zum Thema Hochpräzisionsexperimente mit gespeicherten exotischen und stabilen Ionen statt. Bei dem Treffen kamen Experten aus Deutschland, China und drei weiteren Ländern zusammen, um Technik und Experimente an Speicherringen zu diskutieren. Der Antrag für das Symposium wurde von Dr. Yuri Litvinov, GSI, und Professor Yuhu Zhang, Institute of Modern Physics in Lanzhou, gemeinsam gestellt und von Gutachtern aus Deutschland und China evaluiert. Die Bewilligung erfolgte im September Insgesamt standen RMB (rund Euro) für die Durchführung der Veranstaltung und die Reisemittel für 18 Teilnehmer zur Verfügung. Die Kosten übernahm das Chinesisch-Deutsche Zentrum für Wissenschaftsförderung, das gemeinsam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der National Natural Science Foundation of China getragen wird. Ziel ist die Förderung der wissenschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Deutschland und China in den Fachgebieten der Natur-, Lebens-, Managementund Ingenieurwissenschaften. Seite 4

5 target Dreifach prämiert: Höchstleistungsrechner GSI GreenITCube Das Architekturbüro ttsp hwp seidel und GSI haben mit dem neuartigen, höchst energieeffizienten dreidimensionalen Hochleistungs-Rechenzentrum Green- ITCube den ersten Preis in der Kategorie Data Center Blueprints bei den DataCenterDynamics Awards in London gewonnen. Prämiert wurden das kompakte, Grundfläche sparende Design, die hohe Effizienz im Betrieb und die niedrigen Investitionskosten. Zuverlässigkeit ist bei Rechenzentren nach wie vor höchste Priorität, gleichzeitig aber stehen Entstehungs- und Betriebskosten immer mehr im Vordergrund, so Professor Volker Lindenstruth, Leiter der IT-Abteilung bei GSI. Neben dem ersten Platz belegte der GreenITCube den zweiten Platz in Leadership in the Public Sector und Innovation in IT Optimization. Der Prototyp des GSI GreenITCube steht auf dem GSI-Gelände. Das neuartige GreenITCube-Rechenzentrum wird von Bund und Land über die Helmholtz-Gemeinschaft finanziert. Es wird nach Fertigstellung 2015 als Höchstleistungsrechner Rechenkapazitäten für die internationale FAIR- Anlage zur Verfügung stehen, die sich gerade im Bau befindet und die an die bestehenden GSI-Anlagen angeschlossen wird. Saturday Morning Physics bei GSI PhD Science Day Zum 16. Mal hatten am Samstag, dem 30. November 2013, gut 230 Oberstufenschüler aus der Region die Gelegenheit, einen Einblick in die aktuelle physikalische Forschung bei GSI und FAIR zu erhalten. In Rundgängen durch die GSI-Anlagen erkundeten die Schüler die Teilchenbeschleuniger und Experimente und informierten sich über den Bau der internationalen Beschleunigeranlage FAIR. Die Veranstaltungsreihe Saturday Morning Physics ist ein Projekt der Physikalischen Fakultät der TU Darmstadt. Sie findet jährlich statt und hat zum Ziel, das Interesse junger Menschen an Physik zu stärken. In Vorträgen und Experimenten an aufeinanderfolgenden Samstagen erfahren die Schüler Aktuelles aus der physikalischen Forschung an der Universität. Der Besuch bei GSI ist die einzige Exkursion, die innerhalb der Reihe stattfindet. GSI zählt bereits seit dem Start der Veranstaltungsreihe zu den zahlreichen Sponsoren und Unterstützern dieses Projektes. Im Herbst 2013 fand der erste Wissenschaftstag für Doktoranden, der PhD Science Day, statt. Rund 80 GSI- Doktoranden und -Sommerstudenten nahmen an der Veranstaltung teil. Der Tag soll den Austausch zwischen den Doktoranden und das Gemeinschaftsgefühl fördern. GSI-Doktorand Pradeep Ghosh organisierte die Veranstaltung, die auch im Jahr 2014 wieder stattfinden soll: Ein gemeinsames Event der GSI-Doktoranden ist wichtig, um sich gegenseitig kennenzulernen und über die Forschungsaktivitäten am Institut informiert zu bleiben. Poster-Session auf dem PhD Science Day. Seite 5

6 target INTERVIEW Wei-Kang Liu (14) besucht die 9. Klasse der Luise-Büchner-Schule in Groß-Gerau. Im Rahmen eines Schulpraktikums arbeitete er im Februar 2014 für zwei Wochen in der GSI- Forschungsabteilung Theorie. Wei-Kang, warum hast Du Dich bei GSI um ein Praktikum beworben? Hattest Du schon immer ein Interesse an Naturwissenschaft? Ja, schon im Kindergarten und in der Grundschule habe ich Fragen gestellt wie Warum fallen die Wolken nicht vom Himmel? oder Warum schweben wir nicht einfach weg? In der Mittelstufe habe ich noch mehr dieser Warum-Fragen gestellt und mich mehr für diese Materie interessiert, ich habe so die Naturwissenschaften für mich entdeckt. Meine Lehrer haben das auch als naturwissenschaftliches Interesse erkannt und mich immer sehr gefördert. So hat mir auch meine Lehrerin das GSI-Praktikum empfohlen. Sie kennt GSI schon länger und dachte, es könnte genau richtig für mich sein. Ich war vor dem Praktikum noch nicht hier, aber habe mich auf der GSI- Webseite informiert und war begeistert. Wie kamst Du an den Praktikumsplatz? Ich habe mich im Juni 2013, also schon vor einem halben Jahr, in der Personalabteilung um einen Praktikumsplatz beworben und zwei Monate später die Zusage erhalten. Von dort kam auch der Vorschlag, dass ich in der Forschungsabteilung Theorie arbeiten könnte. Das ist genau richtig für mich. Da habe ich mich auch sehr gefreut. Wie läuft die Bearbeitung des Praktikums in der Schule ab? Wir haben vorher in der Schule besprochen, worum es geht. Außerdem kam mein Lehrer zu einem Besuch vorbei und hat sich meinen Praktikumsplatz angeschaut. Natürlich muss ich auch einen Praktikumsbericht schreiben, in dem ich erläutere, was ich bei GSI gemacht habe. Was genau hast Du während des Praktikums gemacht? Das Praktikum besteht aus einigen kleinen Projekten. Mein Betreuer Professor Bengt Friman und sein Kollege Herr Lo haben mir erst einmal beigebracht, mit welchen Größen und Einheiten hier gearbeitet wird. In der Schule hatten wir bisher nur klassische Mechanik. Mit Lorentzkraft, Energie und Beschleunigern hatte ich noch nie vorher zu tun. Ich musste erst einmal die gebräuchlichen Einheiten wie Gigaelektronenvolt oder Teslameter kennenlernen. Dann habe ich damit etwas berechnen können, zum Beispiel wie groß der Impuls und die Energie eines Protons im Beschleuniger sind. In den Tagen, die noch kommen, möchte ich gerne noch mehr über die Teilchenund Atomphysik erfahren. Du hattest auch schon einen Rundgang durch die Anlage und hast die Beschleuniger und Experimente besichtigt. Was war besonders interessant? Ich hätte nicht gedacht, dass alles so groß ist und die Wege so weit sind, dass GSI Mitarbeiter und über Gastwissenschaftler jedes Jahr hat. Besonders beeindruckt hat mich aber der HADES-Detektor. Das ist ein ziemlicher Koloss! Was mich auch besonders interessiert hat, war die Tumortherapie mit Ionenstrahlen, die ziemlich neuartig und so noch nicht weit verbreitet ist. Möchtest Du später Wissenschaftler werden? Ja, Wissenschaftler zu werden, ist mein jetziges Ziel. Auf jeden Fall möchte ich Mathe und Physik als Leistungskurse für das Abitur nehmen. Danach könnte ich mir ein Doppelstudium Physik und Philosophie gut vorstellen, vielleicht an der TU Darmstadt oder an der Goethe-Universität Frankfurt. Ich finde es wichtig, mich auch mit der Philosophie als Grundbaustein auseinander zu setzen und beide Aspekte gleichzeitig zu sehen. Mit der Philosophie kann man die eigene Vernunft entwickeln und sich Methoden aneignen, auf die man später zurückgreifen kann. Ich möchte schon später einmal Doktor und Professor werden. Die Arbeit mit den Grundlagen in der Forschung finde ich sehr reizvoll. Auch am FAIR-Projekt zu arbeiten und ein Experiment dafür zu planen, wäre bestimmt interessant. Meine Familie unterstützt mich in allem. Sie sagen, ich soll das machen, wenn es mir Spaß macht. Wie empfindest Du das Arbeitsumfeld bei GSI? Es ist sehr spannend und es gibt viel Neues zu lernen. Man wird wirklich gefordert und merkt erst, was man alles noch nicht wusste. Ich wurde ganz toll aufgenommen und war gleich gut integriert. Alle haben mir sofort ihre Hilfe angeboten. Der Umgang miteinander ist sehr freundschaftlich und locker. Die Idee mit den kleinen Projekten von Herrn Friman ist wirklich klasse! Ich möchte mich auch noch einmal ganz herzlich bei Herrn Friman und Herrn Lo bedanken, die sich sehr um mich kümmern. Natürlich auch ein großer Dank an GSI für die Möglichkeit, dass ich hier mal hineinschnuppern kann. Man wird hier wirklich gut betreut. Weitere Informationen zu einem Praktikum bei GSI: Seite 6

7 target FORSCHUNG Neue Beschleunigungsstrecke (Kavität): rechteckiger, silberfarbener Aufbau rechts vorne. Sie wird für den späteren Betrieb von FAIR benötigt. Dahinter Umlenkmagnete (rot) und Fokussierungsmagnete (gelb). NEUE KAVITÄT Erfolgreicher Umbau des GSI-Ringbeschleunigers SIS18 für FAIR-Betrieb Nach über einjährigen Umbauarbeiten ist der große GSI-Ringbeschleuniger wieder in Betrieb genommen worden. Im Februar 2014 lief das erste wissenschaftliche Experiment an. Mit ihm untersuchen Wissenschaftler den Einfluss kosmischer Strahlung auf die bemannte Raumfahrt. Durch die Umbauarbeiten am Ringbeschleuniger, dem sogenannten SIS18 (Schwerionen-Synchrotron), wurden erste technische Voraussetzungen geschaffen, damit er wie vorgesehen in Zukunft als Vorbeschleuniger für die Beschleunigeranlage FAIR dienen kann. FAIR wird gerade in internationaler Zusammenarbeit gebaut und an die GSI- Beschleunigeranlagen angeschlossen. Im ersten Experiment untersuchten Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit der European Space Agency, ESA, die Wirkung kosmischer Strahlung auf Zellen sowie die Abschirmeigenschaften verschiedener Materialien. Dies ist entscheidend für die bemannte Raumfahrt, denn Astronauten sind auf Weltraumflügen permanent kosmischer Strahlung ausgesetzt. Mit der GSI-Beschleunigeranlage können Ionenstrahlen genau so erzeugt werden, wie sie im Weltraum auftreten. Somit können die Wissenschaftler ihre Wirkung im Labor erforschen und entsprechende Vorkehrungen für die Raumfahrt entwickeln. Geplant ist den Ringbeschleuniger bis Mitte Mai ununterbrochen, das heißt 24 Stunden am Tag, laufen zu lassen. Dies werden Wissenschaftler für etliche weitere Experimente in unterschiedlichen Forschungsgebieten wie zum Beispiel in der Kernphysik, Atomphysik, Materialforschung und Biophysik nutzen. Wesentliche Neuerung beim Umbau war der Einbau einer neuen Beschleunigungsstrecke. Der Ringbeschleuniger SIS mit einem Umfang von 216 Metern verfügt nun über drei statt bisher zwei Beschleunigungsstrecken. Auch in den kommenden Jahren werden weitere planmäßige Umbaumaßnahmen stattfinden, bei denen zwei weitere Beschleunigungsstrecken eingebaut werden. Mit dann insgesamt fünf Beschleunigungsstrecken wird das SIS die Leistungsfähigkeit haben, Elemente aller Art zu beschleunigen und in die FAIR-Beschleunigeranlage einzuschießen. Von Astrophysik bis zur Krebstherapie konnten Forscher aus aller Welt mit dem Ringbeschleuniger seit der Inbetriebnahme im Jahr 1990 eine große Vielfalt an Forschung und Anwendungen durchführen. Herausragende Erfolge sind zum Beispiel die Entdeckung hunderter neuer Isotope, das heißt unterschiedlicher Sorten von bekannten Elementen. Ein GSI- Forscher hält auf diesem Forschungsgebiet den Weltrekord. Weiterhin wurden drei neue radioaktive Zerfallsarten entdeckt und eine neue Krebstherapie entwickelt, mit der bei GSI 450 Patienten mit Hirntumoren behandelt wurden. Wissenschaftlicher Kontakt: Peter Spiller, GSI Durch den Beschuss von Zellproben finden die Forscher heraus, wie kosmische Strahlung auf Astronauten wirkt. Seite 7

8 target FORSCHUNG a) b) c) d) a) Ein Niob-Kern verwandelt sich durch ein Proton aus dem Beschleuniger in einen Molybdän- Kern in einem metastabilen Zustand. b) Intensives Röntgenlicht schlägt Elektronen aus der Atomhülle. c) Beim Rekombinieren eines freien Elektrons mit dem Atom kann es Energie direkt an den Kern übertragen. d) Durch die Zusatzenergie wird das Molybdän in einen instabilen Zustand angehoben, aus dem es unter Energieabgabe in den Grundzustand zerfällt. AUS DER RUHE GEBRACHT Energiespeicherung und -freisetzung mit angeregten Atomkernen Kann man Energie in Atomkernen speichern? Grundsätzlich ist das möglich, wenn man sie durch Zuführung von Energie in einen angeregten Zustand bringt. Wie man die Energie wieder aus einer solchen Kernbatterie herausholt, haben Wissenschaftler des Max-Planck- Instituts für Kernphysik und der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH nun ausgerechnet. Dabei kam es zu einem überraschenden Ergebnis: Ein für sekundär gehaltener Effekt dominiert den Prozess. Ein Atomkern kann sich auf verschiedenen Energieniveaus befinden. Bei den meisten gibt es einen stabilen Grundzustand, den der Kern vorzugsweise einnimmt. Durch die Zuführung von Energie von außen kann man den Kern aus der Ruhe bringen und auf einen angeregten Zustand anheben. Diese Zustände sind in der Regel instabil, denn der Kern möchte die überschüssige Energie wieder loswerden und zerfällt unter Aussendung von Licht in seinen Grundzustand. Manche Kerne haben jedoch sogenannte metastabile Zustände. Man kann sie auf ein höheres Energieniveau anheben, auf dem sie eine lange Zeit verweilen ohne zu zerfallen. Auf diese Weise könnte man in ihnen Energie speichern wie in einer Batterie. Aber wie bekommt man die Energie in diese Kernbatterie hinein, und wie holt man sie wieder heraus? Die Zuführung von Energie könnte ein Beschleuniger leisten, erläutert Dr. Yuri Litvinov, der das Phänomen an der GSI-Beschleunigeranlage untersucht. Bestrahlt man das Metall Niob mit Protonen, beispielsweise aus dem GSI-Beschleuniger UNI- LAC, kann der Niob-Kern ein Proton einfangen und sich in Molybdän umwandeln. Viele Molybdän-Kerne befinden sich in einem angeregten metastabilen Zustand die Batterie ist aufgeladen. Den Sprung in den Grundzustand unter Abgabe der Energie erreicht man nun durch die Einstrahlung von intensivem Röntgenlicht, beispielsweise von einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser wie dem XFEL, der gerade in Hamburg gebaut wird. Die Röntgenstrahlung hebt den Kern weiter an auf ein geringfügig höheren Energiezustand, der instabil ist. Der Kern zerfällt quasi sofort in den Grundzustand und gibt die gesamte zugeführte Energie in Form von Licht ab die Batterie ist wieder entladen. Doch diese zweite Anregung des Kerns durch das Röntgenlicht ist sehr unwahrscheinlich. Denn durch Bestrahlung mit dem Röntgenlicht tritt ein Nebeneffekt ein: anstatt die Atomkerne anzuregen, ionisiert es die Atome, das heißt, es reißt ihnen die Elektronen aus der Hülle. In einer Materialprobe wie dem angeregten Molybdän führt dies zur Bildung eines Plasmas von ungebundenen Elektronen. Litvinov und seine Kollegen um Projektleiterin Adriana Pálffy vom Max-Planck- Institut für Kernphysik haben nun ausgerechnet, dass dieser Nebeneffekt sehr nützlich sein könnte. Die Atomkerne fangen ihre Elektronen wieder ein, erklärt Litvinov. Dabei geben die Elektronen ihre überflüssige Energie in Form von Licht ab. Wenn diese Energie genau zu der Anregungsenergie passt, mit der man den Atomkern auf den instabilen Zustand anheben kann, dann kann eine direkte Energieübertragung an den Atomkern gelingen. Das kann der Auslöser für den Entladungsvorgang sein. Die Rechnungen zeigen, dass der Effekt sogar dominant sein könnte. Das bedeutet, er tritt häufiger auf als die direkte Anregung des Kerns durch das Röntgenlicht. In Experimenten möchten die Wissenschaftler die berechneten Ergebnisse nun überprüfen. Nach diesem Phänomen suchen wir an der GSI-Anlage, aber konnten es noch nicht beobachten, sagt Litvinov. Wir planen Experimente mit unserem GSI-Speicherring und dem PHELIX-Lasersystem. Wenn wir die Physik besser verstanden haben, könnte es in der Zukunft vielleicht sogar möglich werden, echte Batterien für unseren Alltag mit dieser Technik zu bauen. Wissenschaftlicher Kontakt: Yuri Litvinov, GSI Seite 8

9 target FORSCHUNG Die Beschleunigungsstruktur für den FAIR-Protonenbeschleuniger p-linac vor der Verkupferung durch die GSI-Galvanik. PROTONENBESCHLEUNIGER Erste Teile für FAIR-Beschleuniger p-linac an GSI geliefert Die ersten Komponenten für den FAIR- Beschleuniger p-linac sind bei GSI eingetroffen. Eine Beschleunigungsstruktur und ein Verstärker für elektrische Felder, ein sogenanntes Klystron, sollen in den kommenden Monaten in Betrieb genommen und getestet werden. Der Linearbeschleuniger p-linac besteht aus sieben solchen Systemen und gehört zu den ersten Maschinen, die an der geplanten FAIR-Beschleunigeranlage aufgebaut werden. Mit ihm werden Protonen vorbeschleunigt, um Antimaterie zu erzeugen. Der Name p-linac steht für Proton Linear Accelerator Protonen-Linearbeschleuniger. Er dient zur Beschleunigung von Protonen, auch Wasserstoff-Ionen genannt, und nutzt dafür elektrische Felder im Hochfrequenzbereich. Ein Oszillator erzeugt die Hochfrequenz von 325 Megahertz, die im neuen Klystron verstärkt und in die Beschleunigungsstruktur eingespeist wird. Im Inneren bringen die Hochfrequenzfelder die Protonen auf Geschwindigkeit. Gebaut wurde das Klystron von der französischen Firma Thales in Vélizy bei Paris. Es ist 5,2 Meter lang, 4,2 Tonnen schwer und liefert eine Leistung von bis zu drei Megawatt. Die Beschleunigungsstruktur haben Forscher der Goethe- Universität Frankfurt entworfen und hergestellt. Zurzeit wird sie in der GSI- Galvanik noch mit einer Schicht aus Kupfer überzogen, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Danach können beide Geräte, kombiniert mit für den Betrieb notwendigen weiteren Komponenten, am GSI-Teststand ihren ersten Dienst aufnehmen. Hier werden sie in den kommenden Monaten auf Herz und Nieren geprüft und für den Einbau in die FAIR-Anlage vorbereitet. Die Protonen aus dem p-linac sollen vom GSI-Ringbeschleuniger und vom geplanten FAIR-Beschleuniger SIS100 weiterbeschleunigt werden. Danach prallen sie auf ein Produktionstarget für Antimaterie. Dabei entstehen Antiprotonen, die Antimaterie-Partner der Protonen. Die Forscher wollen sie in einem Speicherring sammeln und anschließend in Experimenten verwenden. Unter anderem möchten sie verstehen, wie die Materieteilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist, zu ihrer Masse kommen. Wissenschaftlicher Kontakt: Gerald Schreiber, GSI SIS300-Magnetprototyp nun bei GSI Ein supraleitender Magnetprototyp für den SIS300-Ringbeschleuniger ist bei GSI angekommen. Der Dipol-Magnet wurde im Herbst 2013 aus Italien angeliefert und steht nun für Tests zur Verfügung. Der SIS300 ist ein Teil der zweiten Ausbaustufe für die Beschleunigeranlage FAIR, die in internationaler Zusammenarbeit gebaut und an die bestehenden GSI-Beschleuniger angeschlossen wird. Den Magnet haben Wissenschaftler des italienischen Forschungsinstituts INFN (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare) und die Firma ASG Superconductors in Genua und Mailand in Kooperation mit GSI entwickelt und gebaut. Insgesamt 60 Dipol-Magnete werden im Ringbeschleuniger eingesetzt, um den Strahl auf der Kurvenflugbahn zu halten. Der Prototyp ist fünf Meter lang und wiegt sechs Tonnen. Wissenschaftlicher Kontakt: Peter Spiller, GSI Der supraleitende SIS300-Magnet vor dem Abtransport in Italien. Seite 9

10 target FORSCHUNG Bei Tumoren im Gehirn kann der Kopf für die Therapie mit einer Maske fixiert werden. Die Fixierung ist bei sich bewegenden Organen wie der Lunge nicht möglich. DIE VIERTE DIMENSION Tumortherapie in sich bewegenden Organen Tumoren in den inneren Organen, beispielsweise in der Lunge oder der Leber, sind aufgrund der Atmung immer in Bewegung. Sie können sich in alle drei Raumrichtungen verschieben und sogar verdrehen oder neigen. Biophysiker bei GSI arbeiten an einer neuen Methode, um diese Bewegungen des Tumors bei der Therapie mit Ionenstrahlen zu berücksichtigen. Dazu nutzen sie vierdimensionale Computertomographie. Bei der Strahlentherapie gilt es, nur auf den Tumor zu zielen und das gesunde Gewebe auszusparen. Genauso wichtig ist es, die eingestrahlte Dosis im Tumor so homogen zu verteilen, dass alle Stellen gleich stark bestrahlt werden. Denn bestrahlt man einen Teil des Tumors doppelt und dafür einen anderen gar nicht, wird der Tumor an dieser Stelle nicht zerstört und wächst weiter. Insbesondere die Tumortherapie mit Ionenstrahlen kann nur funktionieren, wenn die Bestrahlung gleichmäßig ist. Bei der bereits etablierten Technik, die in der GSI-Biophysik entwickelt wurde, teilt man den Tumor in Schichten ein und kann mit dem Strahl Punkt für Punkt die Schichten abtasten (scannen). Jeder millimetergroße Punkt des Tumors erhält die gleiche Dosis. Erfolgreich angewandt wurde die Technik bei Tumoren, die man immobilisieren kann. Den Kopf eines Patienten kann man beispielsweise durch eine Maske fixieren und dann einen Hirntumor zielgenau anvisieren. Eine vergleichbare Lösung für sich bewegende Tumoren ist das Ziel der Medizinphysiker bei GSI. Sie untersuchen verschiedene Techniken, die das erlauben könnten (siehe Infobox). An einer neuen Methode zur Bewegungskompensation arbeitet Dr. Christian Graeff, der die Medizinische Physik innerhalb der GSI-Biophysik leitet. Bisher wurde anhand einer Computertomographie einmal ein Punkteraster für das Abtasten des sich bewegenden Tumors erstellt. Diese Daten wurden dann auf die verschiedenen Bewegungsphasen umgerechnet, erläutert er. Dabei fehlen aber Daten über die Verdrehung und das Kippen des Tumors durch die Bewegung. Erstellt man stattdessen für jede Bewegungsphase des Tumors ein eige- Therapietechniken für bewegte Tumoren Bewegungskompensation Die Bewegung des Tumors während der Atmung wird überwacht und der Strahl wird in Echtzeit mitgeführt, sodass er den Tumor immer an der richtigen Stelle trifft. Aufgrund der Komplexität der Aufgabe, sowohl beim Erfassen der Bewegung des Patienten als auch bei der Steuerung des Beschleunigers, ist diese Technik die größte Herausforderung. Sie erlaubt aber auch die schnellste und genauste Behandlung. Gating ( Ausblenden ) Die Position des Tumors in einer bestimmten Bewegungsphase, beispielsweise am kurzen Ruhemoment nach dem Ausatmen, wird bestimmt. Nur in diesem Moment wird bestrahlt. Das Gating ist technisch leichter zu realisieren, jedoch dauert die Behandlung länger. Atmet der Patient unregelmäßig oder zu flach, lässt sich der Moment der Bestrahlung nicht mehr eindeutig bestimmen. Rescanning ( Wiederholtes Abtasten ) Der Tumor wird mehrfach mit geringen Dosen in verschiedenen Bewegungsphasen bestrahlt. Dabei sollen sich Hot Spots und nicht bestrahlte Stellen gegenseitig zu einer homogenen Dosis wegmitteln. Funktioniert dies aber nicht perfekt, könnten nicht bestrahlte Stellen zurückbleiben und der Tumor würde weiterwachsen. Seite 10

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