China startet gigantischen Teilchenbeschleuniger – er bricht schon jetzt Weltrekorde

Zwei Kilometer lang verläuft die neue Anlage unter der Erde. In ihrem Inneren rasen Sauerstoff- und Wismut-Ionen durch nahezu luftleere Röhren. Schon während der Tests erreichten die Strahlen Werte, die bislang kein vergleichbarer Beschleuniger geschafft hatte.

Der neue Teilchenbeschleuniger in China steht in Huizhou in der südlichen Provinz Guangdong. Am 21. Juli bestand die Anlage ihre technische Abnahme. Nun beginnt der Probebetrieb. Entwickelt hat sie das Institut für moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Der offizielle Name lautet High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility, abgekürzt HIAF.

Chinas Teilchenbeschleuniger arbeitet anders als der LHC am CERN

Mit dem Large Hadron Collider am CERN kann HIAF bei seiner Größe nicht mithalten. Der LHC bei Genf besitzt einen 27 Kilometer langen Ring und gilt als leistungsstärkster Teilchenbeschleuniger der Welt. HIAF kommt auf eine zwei Kilometer lange Strahlführung. Beide Anlagen verfolgen jedoch unterschiedliche Ziele. Am CERN kollidieren vor allem Protonen, zeitweise auch schwere Blei-Ionen, bei extrem hohen Energien. HIAF erzeugt besonders intensive Strahlen unterschiedlicher Atomkerne und untersucht damit seltene, kurzlebige Materie.

Die chinesische Anlage kann Ionen von Wasserstoff bis Uran beschleunigen. Dabei entstehen Tausende instabile Atomkerne, die in der Natur kaum vorkommen oder sofort wieder zerfallen. Wissenschaftler wollen damit erkunden, welche Atomkerne überhaupt existieren können. Außerdem untersuchen sie Prozesse im Inneren von Sternen und bei kosmischen Explosionen.

HIAF bündelt weltweit einmalige Technik

HIAF verbindet erstmals einen supraleitenden Linearbeschleuniger mit einem schnell getakteten Synchrotron. Der Linearbeschleuniger bringt die geladenen Teilchen zunächst auf Geschwindigkeit. Anschließend erhöht das Synchrotron ihre Energie in mehreren Umläufen. Die Anlage deckt Energien von Millionen bis zu mehreren Milliarden Elektronenvolt pro Nukleon ab.

„Eine hohe Intensität ist der entscheidende Maßstab für einen Ionenbeschleuniger der nächsten Generation“, sagt HIAF-Chefingenieur Yang Jiancheng. „Sie bedeutet, dass die Zahl der Ionen pro beschleunigtem Puls erheblich steigt.“ Die Entwicklung der dafür nötigen Technik habe mehr als zehn Jahre gedauert.

Magnetfelder wechseln in Sekundenbruchteilen

Besonders anspruchsvoll sind die schnell arbeitenden Stromversorgungen. Sie verändern ihre Stromstärke innerhalb von 100 Millisekunden um mehrere Tausend Ampere. Dadurch steigt oder fällt das Magnetfeld mit bis zu zwölf Tesla pro Sekunde. Die Magnete halten die Ionen auf ihrer vorgesehenen Bahn.

Auch das Hochfrequenzsystem arbeitet mit hoher Präzision. Es erzeugt elektrische Felder von etwa 35 Kilovolt pro Meter und beschleunigt die Teilchen abschnittsweise. Im Strahlrohr herrscht ein Druck von nur 10⁻¹² Millibar. Das entspricht annähernd dem Vakuum auf dem Mond. Eine 0,3 Millimeter dünne Schicht aus Titanlegierung kleidet die Kammer aus.

Ionenstrahlen übertreffen die geplanten Werte

Bei Sauerstoff-Ionen erreichte HIAF eine Intensität von 250 Milliarden Teilchen pro Puls. 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, äußerst seltene Reaktionen zu beobachten. 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.

Neue Isotope entstehen bereits im Probebetrieb

Bei ersten Versuchen bestimmten die Wissenschaftler die Masse des kurzlebigen Gold-Isotops Au-202. Die Messung war laut CAS doppelt so präzise wie der bisherige Rekord. Zudem beobachteten die Teams zwei bislang unbekannte Isotope. Die Wissenschaftler nannten in ihrer Mitteilung noch keine weiteren Einzelheiten zu den neuen Atomkernen.

Für die Experimente besitzt HIAF sechs Messplätze. Dazu gehören 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.

HIAF öffnet seine Labore international

Die Pläne für HIAF reichen bis 2009 zurück. Der Bau begann im Dezember 2018 auf einem rund 32 Hektar großen Gelände. Im Oktober 2025 lief erstmals ein Strahl durch mehrere Teile des Systems. Nach sieben Jahren Bauzeit sind die technischen Arbeiten nun abgeschlossen.

HIAF soll künftig als internationale Forschungseinrichtung arbeiten. „HIAF wird zu einem weltweit bedeutenden Zentrum der Schwerionenforschung“, sagt Yang Jiancheng. „Wissenschaftler von Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen aus aller Welt sind eingeladen, hier gemeinsam Experimente durchzuführen.“

Neben der Kernphysik sind Anwendungen in Medizin, Materialforschung und Biologie vorgesehen. Schwerionen können etwa Tumorgewebe sehr gezielt schädigen oder Materialien unter extremer Strahlenbelastung testen. Auch Veränderungen im Erbgut von Pflanzen lassen sich auslösen, um neue Sorten zu entwickeln.

Kurz zusammengefasst:

• HIAF in China ist ein neuer Schwerionenbeschleuniger, der besonders intensive Strahlen von Atomkernen erzeugt und damit seltene Isotope untersuchen soll.
• Bei Sauerstoff- und Wismut-Ionen erreichte die Anlage bereits Weltrekorde bei der Strahlintensität; die Masse des kurzlebigen Gold-Isotops Au-202 wurde zudem doppelt so präzise gemessen wie zuvor.
• Anders als der größere LHC am CERN ist HIAF auf intensive Schwerionenstrahlen spezialisiert und soll Forschung in Kernphysik, Astrophysik, Medizin und Materialwissenschaft ermöglichen.

Übrigens: Während China mit HIAF bereits Rekorde bei besonders intensiven Schwerionenstrahlen aufstellt, plant CERN schon den nächsten Sprung in eine noch größere Dimension. Der neue Ring soll fast 91 Kilometer lang werden und den heutigen LHC deutlich übertreffen – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © IMP