Chinas neuer Teilchenbeschleuniger HIAF bricht Rekorde vor dem Probebetrieb
Die Volksrepublik China hat mit der High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) in Huizhou (Provinz Guangdong) einen weiteren Meilenstein in der Schwerionenforschung gesetzt. Die Anlage hat diese Woche die technische Abnahme bestanden und beginnt nun mit dem Probebetrieb. Bereits während der Tests stellte sie neue Intensitätsrekorde auf und übertrifft damit etablierte Einrichtungen wie die GSI in Darmstadt.
Was ist HIAF und wozu dient sie?
HIAF ist ein multifunktionaler Beschleuniger für die Schwerionenphysik und deren Anwendungen. Entwickelt und gebaut wurde die Anlage vom Institute of Modern Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Das im Dezember 2018 begonnene Forschungszentrum erstreckt sich über rund 32 Hektaren und verfügt über eine insgesamt rund 2 Kilometer lange Strahlführung, die 13 Meter unter der Erdoberfläche liegt. Im Gegensatz zum Large Hadron Collider am CERN, der vor allem Protonen bei extrem hohen Energien kollidieren lässt, kann HIAF Ionen von Wasserstoff bis Uran beschleunigen. Der Vakuumdruck von 10⁻¹² mbar in den Röhren entspricht dem Vakuum auf dem Mond.
Schwerionenbeschleuniger dienen als „Supermikroskop“ für die wissenschaftliche Forschung. Sie ermöglichen es, grundlegende Wechselwirkungen, die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums zu untersuchen. HIAF erzeugt besonders intensive Strahlen und untersucht damit seltene, kurzlebige Materie. In der Anlage entstehen Tausende instabile Atomkerne, die in der Natur kaum vorkommen oder sofort wieder zerfallen. Neben der Analyse dieser Kerne wollen die Forscher auch astrophysikalische Kernreaktionen nachstellen und Werkstoffe unter hoher Strahlenbelastung testen.
Welche Rekorde wurden gebrochen?
Schon während der Tests erreichten die Strahlen Werte, die bisher kein vergleichbarer Beschleuniger geschafft hatte. Nach Angaben des Betreibers erreichte HIAF bei Sauerstoff-Ionen eine Intensität von 250 Milliarden Teilchen pro Puls und übertraf damit einen mehr als zehn Jahre alten Rekord der GSI in Darmstadt, der bei 100 Milliarden Sauerstoff-Ionen pro Puls lag. Der Strahl kam auf eine maximale Energie von 4,25 Milliarden Elektronenvolt. Mit Wismut-Ionen schaffte die Anlage 32 Milliarden Teilchen pro Puls. Laut CAS sind das neue Intensitätsrekorde für vergleichbare Beschleuniger.
Die hohe Teilchenzahl erhöht die Chance, dass auch äusserst seltene Reaktionen beobachtet werden können. Manche Atomkerne existieren nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde. Je mehr Ionen auf das Zielmaterial treffen, desto häufiger können solche Kerne entstehen. Empfindliche Messgeräte zeichnen anschliessend ihre Masse, Lebensdauer und Zerfallsprodukte auf.
Welche technischen Besonderheiten zeichnen HIAF aus?
HIAF zeichnet sich durch ultraschnell ansprechende Stromversorgungen aus, die ihre Stromstärke in nur 100 Millisekunden um Tausende von Ampere ändern können. Dies verändert das Magnetfeld, das die Ionen auf ihrer vorgesehenen Bahn hält, mit bis zu 12 Tesla pro Sekunde. Auch das Hochfrequenzsystem ist hochpräzise; es erzeugt elektrische Felder von etwa 35 Kilovolt pro Meter und beschleunigt die Teilchen abschnittsweise.
Die Anlage verfügt über sechs Messplätze, darunter ein Speicherring für hochgenaue Massenmessungen sowie eine Anlage zur Trennung seltener Reaktionsprodukte. Eine weitere Strahlführung transportiert radioaktive Ionen mit hoher magnetischer Steifigkeit zu den Instrumenten. Während der Inbetriebnahme bestimmten die Wissenschaftler die Masse des kurzlebigen Gold-Isotops Au-202. Der instabile Kern lebt nur rund 28 Sekunden. Im Spektrometer-Ring liess sich seine Masse bestimmen, während die Ionen weiter im Vakuum umliefen. Die Messunsicherheit betrug nach CAS-Angaben 11 Kiloelektronenvolt – damit war die Messung etwa doppelt so präzise wie ein früheres Experiment am Speicherring der GSI.
Wie ist die internationale Perspektive?
Als einer der leistungsstärksten Beschleuniger der Welt wird HIAF als internationale wissenschaftliche Nutzereinrichtung betrieben. „HIAF soll zu einem weltweit bedeutenden Zentrum für die Schwerionenforschung werden. Wissenschaftler von Universitäten, Forschungsinstituten und aus der Industrie aus aller Welt sind herzlich eingeladen, hier zusammenzuarbeiten und Experimente durchzuführen“, sagte Professor Yang Jiancheng, der Chefingenieur des HIAF-Projekts. Die Schweiz, die mit dem CERN über eine eigene Spitzenforschung in der Teilchenphysik verfügt, könnte von einer solchen Kooperation profitieren, sofern die politischen Rahmenbedingungen dies zulassen.
Fazit
HIAF ist ein technologisches Meisterwerk, das die Grenzen der Schwerionenforschung verschiebt. Für die Schweiz, die auf wissenschaftliche Exzellenz und internationale Zusammenarbeit angewiesen ist, bietet sich hier eine Gelegenheit zur vertieften Kooperation – vorausgesetzt, die Souveränität und die eigenen Forschungsinteressen bleiben gewahrt.