„Können wir mal sehen, wo diese Kamera eingesetzt wird?“ In der Mechanischen Werkstatt der Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften werden Bestandteile eines großen Teilchendetektors, unter anderem eine „Photonen Kamera“ gebaut, die an der internationalen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR (Facility for Anti Proton and Ion Research) in Darmstadt zur Detektion von Cherenkov-Photonen genutzt werden soll. Die Kamera ist eine zentrale Komponente eines RICH-Detektors (Ring Imaging Cherenkov Detektor), und dieser wiederum wesentlicher Bestandteil des CBM-Experiments (Compressed Baryonic Matter), bei dem die Zustände von Kernmaterie bei extrem hohen Dichten untersucht werden sollen. An der Entwicklung und am Aufbau des Experiments sind auch Physiker*innen der Universitäten Wuppertal und Gießen beteiligt. 

Ein Besuch mit besonderem Einblick

„Es ist für uns sehr spannend und motivierend, zu sehen, dass die Teile, die wir hier in Wuppertal fertigen, in der Spitzenforschung eingesetzt werden.“ So erläutert Werkstattmeister Isidoro Cavallaro die Idee, mit der Werkstattbelegschaft den Standort des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt zu besichtigen. 

Am 22. April 2026 war es so weit: Durch die Vermittlung von Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert und Dr. Christian Pauly, den Projektverantwortlichen für den CBM-RICH-Detektor an der BUW, konnte die Gruppe gemeinsam mit den Kolleg*innen aus Gießen nach aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen und bei strahlendem Wetter an einer Führung über das Forschungsgelände der GSI teilnehmen. 

Ausgerüstet mit baustellentauglicher Spezialkleidung und unter der kundigen Leitung von Dr. Piotr Gasik, dem Projektleiter des CBM-Experiments, erhielt die Gruppe die seltene Gelegenheit, die Baustelle zu betreten. Das führte schließlich sogar ins Allerheiligste des Forschungszentrums: in den noch im Bau befindlichen, 17 Meter unter der Erde liegenden Tunnel des 1,1 Kilometer langen Teilchenbeschleunigers SIS100. 

Zunächst in die Werkstatt

Aber der Reihe nach. Zunächst wurde die Gruppe von den Kollegen der GSI-Werkstatt in Empfang genommen. Bei einem Rundgang durch die Werkstatt und Schlosserei der Forschungsanlage erhielten die Teilnehmenden einen Überblick über den Maschinenpark und die besonderen Herausforderungen, die mit der Arbeit im Beschleunigertunnel verbunden sind. Die dort verbauten Komponenten sind im Betrieb des Beschleunigers extremen physikalischen Belastungen ausgesetzt, die zu außergewöhnlich hohen Anforderungen an Material, Verarbeitungsqualität und abschließende Prüfverfahren führen. 

Auf der FAIR-Baustelle

Die anschließende Begehung der FAIR-Baustelle konzentrierte sich auf drei Standorte. Das Transfergebäude ist das komplexeste Gebäude der Anlage. Es ist der zentrale Knotenpunkt der unterirdischen Anlagenstrahlführung, in dem sich drei sogenannte Beamlines für Injektion, Extraktion und der Beschleunigerring kreuzen. 

Hier werden die hochenergetischen Teilchenstrahlen aus dem bestehenden Beschleunigersystem der GSI in den neuen Hauptring SIS100 eingeschleust und nach der Beschleunigung mithilfe komplexer Magnete und Vakuumsysteme zu den verschiedenen Experimentier- und Messstationen weiterverteilt, unter anderem auch für das CBM-Experiment. Das Transfergebäude ist außerdem eng mit dem Versorgungstunnel verbunden, in dem sich Kälteanlagen für flüssiges Helium, Stromversorgungen und Strahlkontrolle befinden. 

Im Tunnel des SIS100

Vom Transfergebäude aus gelangte die Gruppe in den äußeren Ring des Doppeltunnels, in dem das Herzstück von FAIR, der 1100 Meter lange ringförmige Teilchenbeschleuniger SIS100, gebaut wird. SIS steht für Schwerionensynchrotron. Das SIS100 ist etwa fünfmal so groß wie der Vorgänger SIS18 und Teil eines der größten internationalen Forschungsprojekte und Bauvorhaben für physikalische Grundlagenforschung an Teilchenbeschleunigern weltweit. 

Wenn die Anlage demnächst in Betrieb geht, können dort nahezu alle Arten von Ionen beschleunigt werden, von den ganz leichten wie Wasserstoff bis hin zu den schweren wie Gold oder Blei. Zur Strahlführung werden modernste, supraleitende Magnete benutzt, die mit flüssigem Helium auf extreme Temperaturen von minus 269 Grad Celsius heruntergekühlt werden und deren massive Stromleiter aus der Nähe betrachtet werden konnten. 

Die gesamte technische Infrastruktur des Beschleunigers befindet sich im benachbarten Versorgungstunnel. Dieser innere Ring beherbergt alle erforderlichen Versorgungseinrichtungen, insbesondere die Bereitstellung von flüssigem Helium für die supraleitenden Dipol- und Quadrupolmagnete, die gesamte Spannungsversorgung, Diagnostik und vieles mehr. 

Die Anlage, so erläutert Dr. Gasik, ermöglicht Grundlagenforschung, um den Aufbau von Materie zu ergründen. Die erzeugten Teilchenstrahlen werden aber auch für praktische Anwendungen genutzt, wie etwa in der modernen Medizinforschung und Strahlenbiologie oder der Materialforschung.

Das CBM-Experiment

Ziel und Höhepunkt des Rundgangs war der Besuch in der unterirdischen Halle, in der das CBM-Experiment in den kommenden zwei Jahren aufgebaut wird. Hier werden Protonen und Ionen, unter anderem Gold, aus dem SIS100-Beschleuniger mit einer Energie von bis zu 29 GeV pro Nukleon unter anderem auf eine Goldfolie geschossen. 

Ziel ist die Untersuchung dichter Kernmaterie, wie sie im sogenannten „Fireball“ der Kollision für kurze Zeit entsteht. Hier können im Labor ähnliche Temperatur- und Dichtezustände realisiert werden, wie sie beispielsweise im inneren von Neutronensternen, oder auch bei der Kollision von Neutronensternen im Kosmos auftreten. 

Das CBM-Experiment wird das Phasendiagramm baryonischer Materie insbesondere im Bereich großer Dichte untersuchen. Gesucht wird unter anderem nach Evidenzen für einen Phasenübergang von gebundener Materie zum Quark-Gluon Plasma sowie für die Existenz eines kritischen Punktes, der den Endpunkt dieses Phasenübergangs im Phasendiagramm markiert. Die Existenz und genaue Lokalisation des kritischen Punktes wird unter anderem auch von der Lattice-QCD-Gruppe um Prof. Dr. Zoltan Fodor an der BUW theoretisch untersucht und vorhergesagt.

Wuppertaler Bauteile am Ort ihres künftigen Einsatzes

In der CBM-Halle schloss sich für die Exkursion der Kreis: Die Gruppe stand am Ort des zukünftigen RICH-Detektors, der über die Detektion von Cherenkov-Strahlung mithilfe einer Vielzahl an Photomultipliern dem Nachweis von seltenen Elektronen aus dem Fireball dienen wird. 

Die großen Kameramodule, entwickelt unter der Leitung von Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert und Dr. Christian Pauly in Wuppertal und derzeit gefertigt in der Feinmechanischen Werkstatt der Fakultät, warten auf den Transport nach Darmstadt. An der Universität Gießen werden parallel in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Claudia Höhne das Detektorgehäuse, das Gassystem und die Spiegelwand des Detektors gebaut. 

Auf einem überdimensionalen Poster an der Hallenwand war die Serie der insgesamt sieben geplanten CBM-Detektoren dargestellt. Die Teilnehmenden konnten erkennen, an welcher Stelle im Strahlverlauf der RICH-Detektor geplant ist und dass direkt daneben ein 150 Tonnen schwerer, supraleitender Dipolmagnet positioniert wird. Damit wurde auch verständlich, welchem Zweck die eisernen Magnet-Abschirmboxen dienen sollen, die ebenfalls aktuell in Wuppertal gefertigt werden.

„Das hat sich gelohnt!“

„So viel interessante und gut erklärte Physik habe ich zum ersten Mal gehört“, war aus dem Kreis der Teilnehmenden zu hören, als sich die Gruppe auf den Rückweg zur Sicherheitsschleuse machten.

„Das hat sich gelohnt! Diese Dimensionen hier mal zu erleben und mit eigenen Augen zu sehen, wo unsere Arbeit hingeht, das macht viel mit den Leuten!“ resümierte Isidoro Cavallaro den Besuch bei FAIR, bevor die Gruppe die Heimreise nach Wuppertal antrat.

Text: Dr. Christian Pauly, AG Astroteilchenphysik und Prof. Dr. Johannes Grebe-Ellis, Vorsitzender des Werkstattrats

https://www.gsi.de/forschungbeschleuniger/fair