Pri Darmstadtu v Nemčiji raste eden največjih centrov pospeševalnikov za temeljne raziskave na svetu. To bo laboratorij, v katerem bodo proizvajali in raziskovali snov, ki običajno obstaja le v globini vesolja. Znanstveniki z vsega sveta, med njimi tudi slovenski, bodo tako dobili vpogled v strukturo snovi in evolucijo vesolja od velikega poka do danes. Poleg sodelavcev Instituta Jožef Stefan pri projektu sodelujejo še predstavniki ministrstva za izobraževanje, znanost in šport ter konzorcij Tehnodrom z vodilnima podjetjema Cosylab in Instrumentation Technologies.

Evropski center za raziskave z ioni in antiprotoni – Facility for Antiproton and Ion Research, na kratko FAIR, nastaja ob že uveljavljenem laboratoriju za raziskave s težkimi ioni GSI in bo namenjen študiju osnovnih gradnikov snovi in razvoja vesolja. Dejstvo je, da je v zvezdah, orjaških planetih ter med eksplozijami in trki zvezd snov izpostavljena nepredstavljivo ekstremnim razmeram, kot so visoke temperature in tlaki, in dosega izjemne gostote. FAIR bo omogočil raziskovalcem, da ustvarijo takšne razmere v laboratoriju z obstreljevanjem majhnih vzorcev snovi (tarče) z zelo hitrimi delci. Ti trki bodo za kratke časovne intervale v snovi povzročili omenjene ekstremne kozmične razmere in raziskovalcem odstrli tančice v razumevanju dogajanja v vesolju.

FAIR kot nadaljevanje dela GSI

Novi center raste ob laboratoriju za fiziko delcev GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), ki ima več kot petdesetletno tradicijo v jedrski in atomski fiziki ter je pomemben člen v razvoju naprednih obsevalnih sistemov za zdravljenje raka s težkimi ioni. V GSI so odkrili šest novih kemijskih elementov, z vrstnimi števili od 107 do 112, in razvili onkološko radioterapijo s težkimi ioni. Sistem pospeševalnikov centra FAIR bo optimiziran za pripravo intenzivnih visokoenergijskih ionskih žarkov različnih atomskih mas, od lahkega protona do težkega urana, pripravi pa lahko tudi sekundarne žarke antiprotonov in redkih, celo nestabilnih, izotopov. Ti žarki bodo usmerjeni na različne reakcijske tarče ali pa bodo injicirani v shranjevalno-hladilne pospeševalniške obroče za dolgotrajnejše meritve njihovih lastnosti.

Srce kompleksa bo krožni pospeševalnik – sinhrotron SIS100 z obsegom 1,1 kilometra. Drugi pomembnejši sklopi so magnetni ločevalnik Super-FRS, ki bo po masah in električnem naboju ločeval sestavine žarkov iz mešanice raznovrstnih ionov, zbiralni obroč CR, nakopičevalnik RESR, novi eksperimentalni shranjevalnik NESR in visokoenergijski shranjevalnik HESR.

Nevidni delci krojijo nastanek življenja

Magnetni spektrometer Super-FRS bo dolg več kot 100 metrov, masa njegovih magnetov pa bo okoli sedemdeset ton. To bo edini magnetni spektrometer na svetu, ki bo lahko ločeval intenzivne visokoenergijske žarke ionov kateregakoli elementa, vse do urana. Že obstoječa pospeševalna sklopa GSI, in sicer UNILAC in SIS18, bosta postala del centra FAIR in bosta v nekaterih primerih uporabna kot prva pospeševalna stopnja. Dodatni novi protonski linearni pospeševalnik pa bo pospeševal visokointenzivne žarke protonov v sistem SIS18/SIS100.

Od osnovnih sil do zdravljenja z delci

Ko masivna zvezda pride do konca svojega življenja, eksplodira kot velikanska supernova in za seboj pusti svoj izjemno gosti centralni del – nevtronsko zvezdo. Gostota je skoraj nepredstavljiva, približno tolikšna, kot bi kocko železa s stranicami 500 metrov stisnili v velikost kocke sladkorja za čaj. FAIR bo omogočil raziskovalcem, da ustvarijo takšne razmere v laboratoriju. Za to uprizoritev vesolja v laboratoriju bodo znanstveniki obstreljevali majhne vzorce snovi (tarče) z zelo hitrimi delci. Ti trki bodo za kratke časovne intervale v snovi povzročili omenjene ekstremne kozmične razmere.

FAIR je zasnovan na štirih znanstvenih stebrih: CBM (Compressed Baryonic Matter), PANDA (antiProton ANnihilation at DArmstadt), APPA (Atomic, Plasma Physics and Applications) in NUSTAR (NUclear STructure Astrophyiscs and Reactions). Vsak od omenjenih stebrov izdatno podpira svetovne raziskave na posameznih znanstvenih področjih.

Shema kompleksa FAIR FOTO: FAIR/GSI

Kolaboracija CBM bo preučevala jedrsko snov v ekstremnih okoliščinah – pri izjemno visokih barionskih gostotah. Znanstveniki te kolaboracije bodo z visokoenergijskimi trki atomskih jeder dosegli podobne razmere in raziskali, kako se snov obnaša pri tako visokih gostotah.

Naš svet držijo skupaj štiri temeljne sile, močna jedrska, elektromagnetna, šibka jedrska in gravitacijska. Eksperiment PANDA je usmerjen v boljše razumevanje močne sile. Ta zlepi v gruče kvarke, elementarne gradnike narave, veže pa tudi protone in nevtrone v atomska jedra. Z uporabo curkov antisnovi – antiprotonov bo skupina PANDA poiskala odgovore na temeljna vprašanja o snovi v nas in v okolici, denimo, kako je proton pridobil svojo maso.

Kolaboracija APPA pa bo poskusila odgovoriti na pester nabor vprašanj, kot so: katere osnovne simetrije definirajo vesolje, kakšne so lastnosti gostih plazem v notranjosti velikih planetov, kako lahko uporabljamo pospešene delce pri zdravljenju bolezni in tudi kako zaščititi astronavte na daljših vesoljskih poletih pred poškodbami zaradi kozmične radiacije. Biofiziki v APPI načrtujejo nadaljnji razvoj onkoloških radioterapij s curki zelo hitrih protonov.

Razumeti zvezde

Astronom Carl Sagan je nekoč poudaril: »Vsi smo narejeni iz zvezdnega prahu.« In v tem duhu smo slovenski znanstveniki trenutno usmerjeni pretežno v fizikalni program NUSTAR. Ta preučuje jedrsko strukturo in reakcije eksotičnih atomskih jeder, ključnih pri oblikovanju snovi v vesolju. Da bi razumeli zvezde, moramo najprej razumeti atomska jedra. Sonce in druge zvezde sijejo, ker se atomska jedra lahkih elementov neprestano zlivajo in ustvarjajo težje elemente. V teh reakcijah iz vodika postopno pridemo vse do železa. Težji elementi, na primer zlato in svinec, pa so navadno ustvarjeni v zvezdnih eksplozijah v kompleksnih reakcijskih verigah, včasih sestavljenih iz na stotine vmesnih korakov. Ti kataklizmični dogodki generirajo številne nevtrone, ki jih zajamejo nekatera atomska jedra, in tako dobimo z nevtroni bogata atomska jedra. Slednja so pogosto nestabilna in radioaktivno razpadajo. Z nevtroni bogata jedra so torej ključna pri nastanku težkih elementov, ki imajo pomembno vlogo tudi v živih organizmih, kot denimo element jod.

Odkritje novega kvantnega stanja

FAIR bo znanstvenikom omogočal produkcijo takšnih eksotičnih težkih jeder, ki jih ne najdemo na Zemlji. S tako pridobljenim novim in zelo podrobnim vpogledom v jedrske reakcije in strukturo teh elementov bomo bolje razumeli nukleosintezo, to je tvorbo novih elementov, in tako bolje spoznali tudi zvezdni prah, iz katerega smo narejeni.

Podsklop NUSTAR bo imel v centru FAIR kar nekaj eksperimentalnih postaj z različno in dopolnjujočo se instrumentacijo. Slovenski raziskovalci smo močneje vpeti v tri skupine: HISPEC/DESPEC (HIgh-resolution in-flight SPECtroscopy/DEcay SPECtroscopy), Super-FRS (Super conducting FRagment Separator) in R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams).

Z eksperimenti spektroskopije razpadov in spektroskopije v žarku HISPEC/DESPEC raziskujemo strukturo atomskih jeder. Visokoločljiva spektroskopija gama in spektroskopije masivnih delcev, kar v večini primerov pomeni merjenje njihovih kinetičnih energij, pri tem omogočajo občutljivo prepoznavanje prstnih odtisov eksotičnih jeder v poplavi drugih delcev, ki so v eksperimentu prav tako prisotni, a niso predmet izbrane raziskave.

Na strateško izbranih izotopih lahko preučujemo evolucijo jedrske lupinske strukture, eksotične jedrske skupke blizu meja jedrskega obstoja, pa tudi njihov vpliv na nukleosintezo težkih jeder. Osrednji instrument kolaboracije NUSTAR je trenutno obstoječi magnetni ločevalnik ionskih fragmentov FRS inštituta GSI; v dograjenem centru FAIR ga bo nadomestil zmogljivejši superprevodni Super-FRS, ključni instrument eksperimentalnih postaj NUSTAR v centru FAIR.

Pogon R3B bo preučeval reakcije z eksotičnimi jedri daleč od doline stabilnosti v naravi prisotnih jeder z relativističnimi žarki ionov do energije 1GeV na masno enoto in bo tako omogočal širok fizikalni program s poudarkom na jedrski strukturi in dinamiki.

Predviden začetek leta 2026, do takrat faza nič

Vzporedno z gradnjo centra FAIR že poteka tako imenovana faza nič raziskovalnega programa na sedanjih pospeševalniških zmogljivostih GSI. Namenjena je takojšnji znanstveni uporabi novih detektorskih sistemov za prihodnji FAIR, s čimer bo zagotovljena tudi njihova operabilnost že od prvega dne rednega delovanja novega centra. Faza nič omogoča izvedbo privlačnega fizikalnega programa in obenem izobraževanje in pripravo naslednje generacije znanstvenikov in inženirjev, tako za sam FAIR kot v vlogi prihodnjih nosilcev razvoja v slovenski visokotehnološki in biotehniški industriji. Pri operacijah faze nič intenzivno sodelujemo tudi raziskovalci z Instituta Jožef Stefan.

Raziskovalni center FAIR razvija nove tehnologije na polju pospeševalnikov, detektorjev, elektronike in visokozmogljivih računalnikov. Te tehnologije bodo omogočile vrhunske raziskave na področjih jedrske strukture, astrofizike, fizike hadronov in temeljne fizike z antiprotonskimi žarki, fizike stisnjene jedrske snovi, fizike plazme, atomske fizike, raziskave materialov in biomedicinskih aplikacij.

Strategija centra je tudi spodbujanje raziskav in rasti slovenske visokotehnološke industrije. Tako so številna slovenska visokotehnološka podjetja intenzivno vključena v razvoj in gradnjo raziskovalne opreme, in sicer v komponente sistema diagnostike žarka in v kontrolne sisteme v pospeševalniku. Tehnodrom je konzorcij slovenskih visokotehnoloških podjetij, ki prispevajo svoje rešitve in storitve za FAIR; te Slovenija prispeva v obliki stvarnega vložka. Vodilna partnerja v konzorciju sta Cosylab in Instrumentation Technologies.

S sodelovanjem v ekipi FAIR se odpirajo izjemne raziskovalne možnosti za slovenske znanstvenike in s tem tudi izredne priložnosti za sodelovanje s slovenskim gospodarstvom z namenom razvoja novih tehnologij in drugih izdelkov z visoko dodano vrednostjo. Kot deležnik centra FAIR je Slovenija aktivno udeležena v enem od najhitreje razvijajočih se področij znanosti in tehnologije.