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Hadronen- und Kernphysik: Das macht unser Leben erst möglich

Mehr als 99,9 Prozent der Masse der Materie sind in den Kernen der Atome konzentriert. Soweit wir heute wissen, gibt es weniger als 300 Atomkerne, die stabil sind, das heißt, die keinen Zerfallsprozessen unterliegen. Sie sind damit die entscheidenden Bausteine für die Struktur unserer Welt. Die im Inneren der Sterne zwischen den Atomkernen ablaufenden Reaktionen liefern die Energie, die unser Leben erst möglich gemacht hat. Sie sind die Ursache für die Entstehung der chemischen Elemente.

Die kleinsten Bausteine der Welt

Mit der Suche nach neuen Elementen forschen Wissenschaftler nach einem tieferen Verständnis der Struktur der Kernmaterie. Sie gehen damit der uralten Frage nach, aus welchen kleinsten Bausteinen die Welt, in der wir leben, zusammengesetzt ist. Das schwerste bislang anerkannte chemische Element wurde von Forschern der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt erstmals 1994 erzeugt und nachgwiesen. Das mit der Ordnungszahl 111 in das Periodensystem der Elemente eingeordnete neue Element hat auch einen Namen: Bundesforschungsministerin Annette Schavan taufte am 17. November 2006 in Darmstadt das neue Element auf den Namen Roentgenium.

Atomkerne sind aus Nukleonen (allgemein Hadronen) zusammengesetzt, die sich wiederum aus noch kleineren Teilchen, den Quarks und Gluonen aufbauen. Die Grenzen des Übergangs von Quarks und Gluonen zu Hadronen und dann zu Kernen sind jeweils fließend und immer noch nicht voll erforscht. Die Hadronen- und Kernphysik hat deshalb noch viele Fragen zu beantworten:

• Warum lassen sich keine isolierten Quarks beobachten?
• Wie sieht der Phasenübergang vom Quark-Gluon-Plasma zu Hadronen aus?
• Woher kommt die Masse der Nukleonen?
• Warum ist die Ladung des komplexen Protons absolut gleich der Ladung des Elektrons?
• Wie kommt der Eigendrehimpuls der Nukleonen zustande?
• Welche Kernreaktion laufen bei der Nukleosynthese im Kosmos ab?
• Welche Eigenschaften hat Kernmaterie unter extremen Bedingungen, z. B. in Neutronensternen?
• Wo sind die Grenzen der Existenz von Atomkernen?
• Welche fundamentalen Symmetrien sind in der Natur realisiert?
• Wie groß ist die absolute Masse des Neutrinos?

Geförderte Großgeräte:

Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt

• UNILAC: UNIversal Linear ACcelerator
• SIS18: Schwerionen-Synchrotron
• ESR: Experimentier-Speicherring
• Gekühlte Ionenstrahlen aller Elemente bis zum Uran, radioaktive Sekundärstrahlen, Pionen-Strahl
• Experimentieranlagen: (HADES, FOPI, RISING, AGATA, FRS, SHIP, SHIPTRAP, Schwerionen-Tumortherapie)

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

• COSY: COoler SYnchrotron, polarisierte, gekühlte Protonen- und Deuteronen-Strahlen

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg

• HERMES: HERa MEasurement of spin dependent structure functions zur Aufklärung der Spinstruktur des Nukleons

Europäisches Laboratorium für Teilchenphysik (CERN), Genf

• ALICE: A Large Ion Collider Experiment zur Untersuchung von Quark-Gluon-Plasmen
• COMPASS: COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spektroscopy zur Untersuchung der Struktur der Hadronen
• REX-ISOLDE: Radioactive Beam EXperiment zur Untersuchung instabiler Atomkerne kurzer Lebensdauer

Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), Stanford (USA)

•  BABAR:  Test fundamentaler Symmetrien in der Natur

Institut Max von Laue - Paul Langevin (ILL), Grenoble

• Experimente zur Struktur von Hadronen und Kernen mit Neutronen

Forschungszentrum Karlsruhe (FZK)

• GridKA: Grid Computing Center Karlsruhe

Beteiligte Forschungseinrichtungen mit BMBF-Grundfinanzierung: