China startet Teilchenbeschleuniger – und bricht schon Rekorde
Die High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) steht in Huizhou in der südchinesischen Provinz Guangdong. Es handelt sich um einen multifunktionalen Beschleuniger für die Schwerionenphysik und deren Anwendungen. Diese Woche hat die Anlage ihre technische Abnahme bestanden, womit die Bau- und Installationsphase weitgehend abgeschlossen ist. Die ersten umfassenden Strahltests des Teilchenbeschleunigers waren bereits im Oktober 2025 zur Zufriedenheit der Techniker verlaufen. Nun beginnt die Anlage mit dem Probebetrieb.
Das im Dezember 2018 in Angriff genommene Forschungszentrum erstreckt sich über rund 32 Hektaren. Entwickelt und gebaut wurde die Anlage vom Institute of Modern Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Nach siebenjähriger Bauzeit schloss die Anlage im Oktober 2025 ihre erste umfassende Inbetriebnahme ab. Es ist die weltweit erste hochmoderne Forschungsanlage für Schwerionen, die einen supraleitenden Linearbeschleuniger mit einem Synchrotron mit schneller Taktung kombiniert. Der Linearbeschleuniger bringt die geladenen Teilchen zunächst auf Geschwindigkeit. Anschliessend erhöht das Synchrotron ihre Energie in mehreren Umläufen.
«Supermikroskop» für die Forschung
Schwerionenbeschleuniger dienen als «Supermikroskop» für die wissenschaftliche Forschung und ermöglichen es Forschern, grundlegende Wechselwirkungen, die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums zu untersuchen. Die Fortschritte bei diesen Anlagen haben unser Verständnis der Welt kontinuierlich vertieft und zu einer Vielzahl technologischer Anwendungen geführt. Da die wissenschaftliche Forschung immer tiefer in den ultramikroskopischen Bereich vordringt und zunehmend unter extremen Bedingungen stattfindet, ist die Entwicklung von hochintensiven, leistungsstarken Schwerionenbeschleunigern für die Erweiterung der Grenzen der Kernphysik unverzichtbar geworden.
HIAF verfügt über eine insgesamt rund 2 Kilometer lange Strahlführung 13 Meter unter der Erdoberfläche. Dies ist bedeutend weniger als der Large Hadron Collider am CERN – der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt besitzt einen 27 Kilometer langen Ring. Beide Anlagen sind jedoch für unterschiedliche Zwecke gebaut. Am CERN kollidieren vor allem Protonen, zuweilen auch schwere Blei-Ionen, bei extrem hohen Energien. HIAF hingegen kann in den nahezu luftleeren Röhren – der Vakuumdruck von 10⁻¹² mbar entspricht dem Vakuum auf dem Mond – Ionen von Wasserstoff bis Uran beschleunigen, erzeugt so besonders intensive Strahlen und untersucht damit seltene, kurzlebige Materie. Denn in der chinesischen Anlage entstehen Tausende instabile Atomkerne, die in der Natur kaum vorkommen oder sofort wieder zerfallen. Neben der Analyse dieser kurzlebigen Atomkerne wollen die Forscher auch astrophysikalische Kernreaktionen nachstellen und Werkstoffe unter hoher Strahlenbelastung testen.
10 Jahre alter Rekord 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.
«Eine hohe Intensität ist der zentrale Indikator für einen Ionenbeschleuniger der nächsten Generation. Das bedeutet, dass die Anzahl der pro Impuls beschleunigten Ionen erheblich erhöht wird», erklärte Professor Yang Jiancheng, der Chefingenieur des HIAF-Projekts. «Das Erreichen dieser extrem hohen Intensität stellt erhebliche technische Herausforderungen dar, wobei die Forschung und Entwicklung der Schlüsseltechnologien sich über mehr als ein Jahrzehnt erstreckt.»
Hochpräzise Technik für hochpräzise Messungen
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.
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 Yang Jiancheng. (dhr)
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