FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) je mezinárodní urychlovačový projekt pro výzkum atomových jader a antiprotonů. Projekt se rozběhl v roce 2003, kdy německá vláda odsouhlasila jeho financování ze 75 %. Zbývajících 25 % financuje 14 členských zemí (Čína, Francie, Rusko, Velká Británie a další). FAIR se stane součástí urychlovačové laboratoře GSI nedaleko německého Darmstadtu. Dokončení projektu se předpokládá v roce 2015. Urychlovačový komplex FAIR naváže na jaderný výzkum laboratoře GSI. Projekt FAIR svými výsledky přispěje hned do několika oborů fyziky jako je jaderná fyzika, fyzika plazmatu a astrofyzika. Hlavním cílem experimentů je studium formování atomových jader a hlubší porozumění silné interakci.
|
Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického "glue" = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky "d" (down) a "u" (up), druhou kvarky "s" (strange) a "c" (charm) a třetí kvarky "b" (bottom nebo beauty) a "t" (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. Gluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Nukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků "u" a "d". |
| Atomové jádro |
Atomové jádro je vázaný stav nukleonů (protonů a neutronů). Nukleony nejsou elementární částice, skládají se z kvarků. Kvarky však tvoří jen zlomek hmotnosti nukleonu, většina hmotnosti je uložena ve formě gluonů – zprostředkujících částic silné interakce. Například u protonu připadá 11 MeV na hmotu kvarků a 927 MeV na hmotu gluonů. Atomové jádro drží pohromadě díky zbytkové silné interakci (sama silná interakce váže kvarky uvnitř nukleonu). Výsledkem je, že atomová jádra nemohou mít libovolnou velikost – počet nukleonů. Pokud má jádro příliš velký počet protonů, nedokáže již silná interakce přemoci elektrické odpuzování a jádro se rozpadne. Celkem je známo přes 2 500 izotopů, avšak jen méně než 300 je stabilních. Stále však existuje více než 3 500 neobjevených izotopů.
 |
| Přehled atomových jader. Na obrázku je vidět, že nuklidy a stabilní izotopy zaujímají jen malou část z celkového počtu jader. Zdroj: Argonne National Laboratory. |
Těžší jádra nejsou ve vesmíru ničím obvyklým. První jádra vznikala v průběhu primordiální nukleosyntézy již několik minut po Velkém třesku. Jelikož vesmír rychle chladl, vznikla pouze jádra lehkých prvků jako je vodík, helium a malé množství lithia a berylia. Těžší prvky vznikaly mnohem později v jádrech hvězd, kde hmota opět získala dostatečnou teplotu pro tzv. hvězdnou nukleosyntézu. Zde však nastal další limit. Energii pomocí jaderné syntézy lze získávat pouze slučováním lehkých jader. Limitní prvek je železo, které má nejstabilnější jádro a jeho další jaderné slučování je již energeticky ztrátové. Prvky těžší než železo tedy vznikají při procesech mnohem bouřlivějších, než existují v nitru hvězd. Prvky těžší než železo se utvořily v důsledku explozivní nukloesyntézy, která probíhá při explozích supernov – závěrečných stádiích některých hvězd. Při těchto procesech vzniká celá řada těžších jader, třebaže i velmi krátce žijících, o kterých máme velmi omezené informace. Z produktů rozpadu těchto jader vznikly stabilní prvky, které běžně pozorujeme v přírodě, jako například olovo, zlato, uran, atd. Právě tyto vysokoenergetické procesy bude zkoumat experimentální zařízení FAIR v Německu.
 |
| Graf na obrázku znázorňuje vývoj jednotlivých prvků v raných fázích vesmíru v závislosti na teplotě a čase. Zdroj: UCLA. |
Nově budovaný urychlovačový komplex poskytne 100 až 1 000krát vyšší intenzitu částic v primárních iontových svazcích a až 10 000krát vyšší intenzitu v sekundárních svazcích. Rovněž vzroste také energie částic na zhruba třicetinásobek oproti stávajícímu zařízení. Srdcem experimentální laboratoře je dvojitý synchrotron SIS 100/300, na kterém mohou probíhat až čtyři nezávislé experimenty současně. Injektorem pro SIS 100/300 je urychlovač SIS18 ze stávající laboratoře GSI.
 |
| Schéma urychlovačové laboratoře. V levé části je již existující laboratoř GSI a v pravé části je nově budované zařízení FAIR. Zdroj: GSI. |
Supravodivé magnety a rezonanční urychlovací dutiny s nastavitelnou frekvencí umožňují ohromnou variabilitu částicového svazku. Jelikož urychlovanými částicemi jsou ionty, maximální dosažitelná energie na jedno jádro závisí na protonovém a nukleonovém čísle prvku. Pro ilustraci: SIS100 dokáže připravit svazek jader U 238 o energii 1 GeV/nukleon a luminozitě 1012. Naproti tomu SIS300 může urychlit stejná jádra na energii 34 GeV/nukleon, avšak při nižší luminozitě svazku 2×109. Urychlovač je schopen urychlovat jádra od vodíku až po uran a také produkovat vzácná nestabilní jádra v sekundárních svazcích. Sekundární svazky se "vyrábějí" pomocí interakce urychlených iontů s pevným terčíkem (vyznačeno na obrázku výše). Svazek částic může být buď téměř spojitý, nebo složený z velmi krátkých pulzů (tzv. bunchů), což je výhodné zejména pro studium velmi žhavé hmoty. Pulzní výkon získaný interakcí jednoho krátkého pulzu iontů může dosáhnout až několika terawattů.
 |
| Na obrázku vlevo je fotografie dipólového supravodivého magnetu urychlovače SIS300. Na pravém obrázku je jedna z urychlovacích kavit s proměnnou frekvencí. Zdroj: GSI. |
Součástí laboratoře FAIR bude komplex čtyř akumulačních prstenců (CR, RESR, NESR, HESR). Prstenec CR slouží ke stochastickému ochlazování svazku antiprotonů a izotopů ze sekundárních svazků. V prstenci CR je možné měnit strukturu shluků urychlovaných částic – tzv. rebunching. Dalším z akumulačních prstenců je RESR, jehož hlavním úkolem je akumulace až 1011 antiprotonů a jejich případné přesměrování do urychlovače SIS100, kde se mohou dále urychlit, nebo do prstence NESR pro experiment s nízkoenergetickými antiprotony FLAIR. Prstenec RESR také umožňuje zpomalování izotopů. Poslední ze čtveřice podružných prstenců je HESR. Jeho úkolem je opět akumulace a ochlazování antiprotonového svazku, který je injektován z prstence RESR nebo vysokoenergetického antiprotonového svazku z urychlovače SIS100.
| URYCHLOVAČ | OBVOD [m] |
| SIS100 | 1083 |
| SIS300 | 1083 |
| CR | 206 |
| RESR | 246 |
| NESR | 222 |
| HESR | 520 |
| Rozměry urychlovačů. |
Projekt FAIR není vázaný pouze na základní výzkum. Získané poznatky naleznou uplatnění zcela jistě v medicíně při léčbě nejrůznějších nádorových onemocnění. Další možnou aplikací je studium radiační odolnosti materiálů (včetně elektronických součástek). Těžší jádra způsobují daleko větší radiační poškození než například elektrony nebo samotné protony. Výzkum radiační odolnosti materiálů je velmi aktuální zejména v aplikacích určených pro kosmický výzkum nebo pro budoucí fúzní reaktory.
GSI – Gesellschaft für SchwerIonenforschung (Sdružení pro výzkum iontů). Německá laboratoř v blízkosti Darmstadtu, která byla založena v roce 1969. Laboratoř má 1050 zaměstnanců. Ve vybavení je lineární urychlovač UNILAC, iontový synchrotron SIS, experimentální prstenec ESR. V současnosti se buduje výkonný laser PHELIX a urychlovač FAIR.
Elektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT).
Izotopy – jádra se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například poločasem rozpadu, hmotností, atd.
Supernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt. Jeho svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: buďto se jedná o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi.
Synchrotron – cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem.
Luminozita – integrální tok částic průřezem urychlovače.
Akumulační prstenec – pomocný cyklický urychlovač, sloužící k modifikaci urychovaných částic, například změně energetického spektra, proudové hustoty, apod.
Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932.
