FAIR ermöglicht es, die „Ursuppe“, die wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall entstand, im Labor zu erzeugen. Wissenschaftler können so den Übergang von Atomkernen der leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium zur uns umgebenden „normalen“ Materie beobachten. Die Untersuchungen werden zeigen, wie die Materie unseres heutigen Universums und damit auch wir entstanden sind.

In den ersten drei Minuten des Universums entstand die Materie als Paare von elementaren Teilchen und zugehörigen Antiteilchen. Heute finden wir aber nur noch Materie, die Antimaterie ist verschwunden. Wissenschaftler erklären das Überleben der Materie durch Symmetrieverletzungen. Das heißt: die physikalischen Gesetze sind für Materie und Antimaterie verschieden. Bisher experimentell nachgewiesene Symmetrieverletzungen reichen aber nicht aus, um das Überleben der ganzen Materie im Universum zu erklären. FAIR kann durch Experimente mit Teilchen und Antiteilchen neue Hinweise auf fundamentale Symmetrieverletzungen in der Natur finden, und erklären, warum es unsere Galaxie, unser Sonnensystem und uns überhaupt gibt.

Das Rätsel der starken Kraft

Der Schlüssel zum Verständnis der Eigenschaften von Nukleonen und Atomkernen, aus denen alles im Universum aufgebaut ist, ist ein besseres Verständnis der Starken Kraft. Experimente an FAIR werden Strahlen von Protonen und Antiprotonen kollidieren lassen. Dabei werden exotische Teilchen erzeugt, deren Eigenschaften Rückschlüsse auf das Verhalten der Starken Kraft zulassen.

Beim Tod von Sternen wird Materie stark komprimiert und erhitzt. Möglicherweise entstehen dabei neue, bislang unbekannte Formen von Materie, die auch an FAIR erzeugt und untersucht werden könnten. Daraus ließen sich neue Erkenntnisse über den Ablauf von Sternexplosionen und die Eigenschaften der Sternüberreste gewinnen.

In extrem energiereichen und heißen Szenarien wie Sternexplosionen werden Elemente rasch fusioniert. Dabei entstehen exotische instabile Atomkerne. FAIR ermöglicht die Vermessung von Reaktionen an diesen exotischen Atomkernen, die der Schlüssel zum Verständnis der Elementsynthese im Universum sind.

Dunkle Materie

Die Bewegung von Sternen in Galaxien weist darauf hin, dass es mehr als die sichtbare Materie gibt – die Dunkle Materie. Diese macht nach aktuellen Modellen etwa 25% der Energiedichte im Universum aus, während der Anteil der „normalen“ Materie nur etwa 5% beträgt.

Der große Teil der Materie im Universum ist uns also vollkommen unbekannt! Mögliche Kandidaten für die Dunkle Materie könnten neuartige Verbindungen der Starken Kraft sein. Unter verbesserten experimentellen Bedingungen könnten an FAIR Hinweise auf neuartige Materieformen gefunden.

Die Experimente an FAIR werden Plasmen mit Temperaturen und Dichten entsprechend der Verhältnisse im Inneren großer Planeten wie Jupiter erreichen. Zudem eröffnet FAIR die Möglichkeit, die physikalischen Grundlagen der Trägheitsfusion zu erforschen, in der einige Forscher die Zukunft der Energieversorgung sehen.

FAIR wird außerdem die Auswirkungen von kosmischer Strahlung auf Astronauten und Raumfahrzeuge untersuchen. Mit den Ergebnissen könnten Abschirmmaßnahmen für zukünftige Raumflüge geplant und optimiert werden.

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Wissenschaftlicher Direktor: Prof. René Reifarth, Institut für Angewandte Physik

Partner: Universität Gießen, Technischen Universität Darmstadt, Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Graduiertenschule:
Helmholtz Graduate School for Hadron and Ion Research (HGS-HIRe for FAIR)

• 350 Doktoranden von der Goethe-Universität Frankfurt (ca. 40%), der TU Darmstadt (ca. 30%), der Universität Gießen (ca. 10%), der Universität Mainz (ca. 7%), der Universität Heidelberg (ca. 7%), und anderer Partner (ca. 6%)
• Doktoranden mit internationaler Herkunft: ca. 32%
• Die Doktoranden kommen mehrheitlich aus der Physik, es sind aber auch Ingenieure- und Materialwissenschaftler, Informatiker und Biologen in HGS-HIRe
• Forschung an Themen, die relevant sind für das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
• Laufzeit: 2008-2019

Kathrin Göbel / René Reifarth