Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) w Darmstadt (Niemcy), jest największym międzynarodowym ośrodkiem akceleratorowym budowanym obecnie w Europie. Rola FAIR jako wiodącego w przyszłości centrum badań fizyki jądrowej, atomowej i aplikacji w badaniach materiałowych oraz biologicznych na świecie została podkreślona w raportach długofalowej strategii rozwoju fizyki jądrowej Nuclear Physics European Collaboration Committee (NUPECC) opublikowanych w 2017 i 2024 r.
FAIR został powołany na mocy Konwencji z Wiesbaden 4.10.2010, jako spółka z ograniczoną odpowiedzialnością (GmbH), przez 9 udziałowców. Sygnatariuszem Konwencji jest Polska (Dz. U. z 2011 r., Nr 255, poz. 1531) wraz z Finlandią, Indiami, Niemcami (gospodarz projektu), Federacją Rosyjską, Francją, Rumunią, Słowenią i Szwecją. Decyzją MNiSW, Uniwersytet Jagielloński (UJ) pełni rolę Udziałowca posiadając 2,33% akcji w FAIR GmbH.
Uniwersytet Jagielloński reprezentuje Polskę wraz z przedstawicielem MNiSW w Radzie Spółki FAIR (FAIR Council), który jest organem zarządzającym. Ponadto UJ jest odpowiedzialny za koordynację szeregu wkładów rzeczowych do projektu FAIR finansowanych przez ministerstwo i realizowanych przez różne instytucje naukowe w Polsce.
FAIR został wpisany przez MNiSW do Mapy Polskiej Infrastruktury Badawczej w obszarze nauk fizycznych i inżynieryjnych w 2020 roku. W 2025 roku Minister Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeprowadził przegląd Polskiej Mapy Infrastruktury Badawczej, która skupia infrastruktury o najwyższym potencjale doskonałości naukowej, konsolidujące potencjał badawczy w dziedzinach istotnych dla rozwoju nauki oraz kraju. W wyniku przeglądu podtrzymał decyzję o umieszczeniu na liście Ośrodka Badań Antyprotonami i Jonami FAIR. Umieszczenie infrastruktury badawczej na Polskiej Mapie Infrastruktury Badawczej jest wyrazem uznania jej badawczego potencjału. Lista strategicznych infrastruktur badawczych umieszczonych na Polskiej Mapie Infrastruktury Badawczej po przeglądzie.
Badania naukowe w ośrodku FAIR są zgrupowane w 4 obszarach badawczych:
-
fizyki atomowej, medycznej, materiałów i zastosowań: Atomic, Plasma Physics and Applications (APPA),
-
struktury jądra i reakcji jądrowych badanych na wiązkach radioaktywnych: Nuclear Structure Astrophysics and Reactions (NUSTAR),
-
gęstej materii barionowej: Compressed Barionic Matter (CBM) za pomocą detektorów CBM oraz High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES),
-
struktury hadronów za pomocą anihilacji proton-antyproton: antiProtonANihilation at DArmstadt (PANDA).
Kołem zamachowym prowadzonych badań jest unikalny system akceleracji cząstek oparty na akceleratorach liniowych i synchrotronach (SIS18, SIS100) oraz pierścieniach akumulacyjnych. FAIR powstaje na bazie istniejącego od lat siedemdziesiątych ośrodka badań ciężkojonowych GSI w Darmstadt.
Synchrotron SIS100 jest centralnym akceleratorem infrastruktury FAIR umożliwiającym przyspieszanie protonów do energii 30 GeV i ciężkich jonów (U92+) do energii 11 GeV/nukleon o bardzo wysokich intensywnościach wiązek: odpowiednio 1013 p/s i 109 jonów/s. Wysoka intensywność wiązki pierwotnej jest kluczowa dla osiągnięcia wysokich intensywności wiązek niestabilnych izotopów produkowanych w SFRS, co stanowi o unikalności infrastruktury FAIR w skali świata, umożliwiając badania jąder daleko poza obszarem ścieżki stabilności (Radioactive Beams-RIB). Obecnie zostały zakończone prace budowlane całej infrastruktury FAIR (tunele, hale pomiarowe), stanowiące pierwszy duży kamień milowy, i rozpoczęty został proces instalacji elementów akceleratora SIS100 oraz SFRS. Kolejnym dużym kamieniem milowym będzie zakończenie instalacji SFRS, przewidziane na połowę 2027. Wtedy możliwe stanie się rozpoczęcie badań z wiązką dostarczaną przez akcelerator SIS18 i SFRS (tzw. Early Science). Równolegle do tego etapu będą biegły prace instalacyjne związane z SIS100, którego oddanie do użytku jest przewidziane na drugą połowę 2028 roku (kolejny duży kamień milowy). Wtedy będzie możliwe rozpoczęcie badań za pomocą SFRS z wiązkami z SIS100 o znacznie wyższej energii (tzw. First Science). Wreszcie ostatni kamień milowy to uruchomienie detektora CBM z wiązką z SIS100 - początek 2029 - (First Science+). Harmonogram budowy oraz prowadzenia badań w FAIR jest przedstawiony na rysunku.
APPA: Obszar badawczy obejmuje zarówno badania podstawowe, jak i badania aplikacyjne w różnych dyscyplinach. Badania koncentrują się na fizyce atomowej (współpraca SPARC), naukach biomedycznych (BIO), materiałoznawstwie (MAT) i fizyce plazmy (HED). Cechą wspólną tych grup badawczych, pomimo dość zróżnicowanych zakresów badawczych, jest wykorzystywanie tych samych instalacji i technik eksperymentalnych rozwijanych w ramach projektu FAIR. Największą z tych grup jest kolaboracja SPARC, w której polscy naukowcy prowadzą badania. Program naukowy SPARC obejmuje badania z zakresu fizyki atomowej, elektrodynamiki kwantowej (QED) oraz ultrawysokich pól elektromagnetycznych z wykorzystaniem wiązek wysoko naładowanych ciężkich jonów. Urządzenia, w których rozwoju uczestniczy kolaboracja SPARC, obejmują: pierścienie akumulacyjne ESR (experimental storage ring), CRYRING (low-energy storage ring), niskoenergetyczny decelerator oraz pułapkę ciężkich jonów HITRAP (trapping and low energy beam facility). Współpraca BIO bada wpływ promieniowania na komórki (zniszczenia DNA) w kontekście misji kosmicznych oraz terapii nowotworowych z zastosowaniem wiązek jonów, które zostały po raz pierwszy rozwinięte jeszcze w GSI. Obecnie planowane jest rozszerzenie tych metod na izotopy niestabilne (np. 11C). W ramach tych badań polskie grupy badawcze są zaangażowane w rozwój technik obrazowania dawki deponowanej w naświetlanym materiale. Badania odporności radiacyjnej materiałów są wykonywane we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA) i należą do jednych z najlepszych na świecie. Współpraca MAT bada wpływ jonizacji na własności materiałów, w szczególności elektroniki wykorzystywanej w misjach kosmicznych. Innym obszarem badań jest wpływ promieniowania jonizującego na reakcje chemiczne w kontekście procesów astrofizycznych. Współpraca HED koncentruje się na rozwiązaniu problemów związanych z utratą energii i wymianą ładunku ciężkich jonów podczas penetracji gorącej plazmy. Drugi obszar badań wykorzystuje wiązki jonów z SIS18 do generowania gorącej gęstej materii (WDM). Mierzone są właściwości termodynamiczne i transportowe metali i materiałów o wysokim Z w pobliżu krzywej wrzenia. Wyżej wymieniony program badawczy jest możliwy do zrealizowania dzięki unikalnej w skali świata infrastrukturze badawczej łączącej wiązki o wysokiej intensywności, w tym radioaktywne, z możliwością ich akumulacji w pierścieniach akumulacyjnych w FAIR.
NUSTAR: Celem projektu jest rozwiązanie podstawowych problemów fizyki jądrowej. Należą do nich:
- opracowanie uniwersalnego modelu jądra atomowego, z uwzględnieniem jego wewnętrznych stopni swobody i symetrii, który opisuje własności nuklidów w obszarach bliskich stabilności i poza nią - na granicach egzystencji związanej materii jądrowej,
- badanie pochodzenia ciężkich pierwiastków we wszechświecie i rola procesów jądrowych w zjawiskach ich syntezy w mechanizmach astrofizycznych.
Najprostsze pierwiastki chemiczne - wodór i hel - powstały z wytworzonych w Wielkim Wybuchu cząstek: nukleonów, czyli protonów i neutronów, oraz elektronów. Zachodzące w gorącym, wczesnym wszechświecie reakcje fuzji pomiędzy nukleonami doprowadziły do syntezy helu, oraz pewnych ilości najlżejszych metali: litu i berylu. Z kolei, wszystkie cięższe pierwiastki występujące w naturze są produktem gwiezdnej nukleosyntezy. Szczególnie interesujące są procesy mające miejsce w eksplozjach gwiazd, w których produkowane są pierwiastki cięższe od żelaza. Zachodzą one poprzez sekwencyjne reakcje jądrowe prowadzące do silnie wzbudzonych, bardzo niestabilnych nuklidów, które poprzez emisję promieniowania jądrowego (α, β, γ) rozpadają się do izotopów tworzących ścieżkę stabilności. Poznanie własności nuklidów odległych od ścieżki stabilności jest więc kluczowe, aby zrozumieć mechanizm powstania i opisać budowę otaczającego nas świata. Aby dotrzeć do nieosiągalnych dotychczasowymi metodami obszarów tablicy nuklidów, NUSTAR (NUclear STructure, Astrophysics and Reactions) wykorzystuje unikalną możliwość użycia radioaktywnych wiązek jonów (Radioactive Ion Beams-RIB) wytworzonych przez układ akceleratorów FAIR oraz separator masowy SuperFRS (SFRS). Celem tego programu jest badanie za pomocą wiązek RIB struktury egzotycznych jąder, reakcji jądrowych i jądrowych procesów astrofizycznych. NUSTAR dostarczy danych eksperymentalnych, które pomogą zgłębić szereg fundamentalnych, ale wciąż nierozwiązanych problemów fizyki jądrowej:
- Jak podstawowe oddziaływania pomiędzy cząstkami wpływają na strukturę jądra atomowego?
- W jaki sposób efektywne siły jądrowe zależą od liczby protonów (Z) i neutronów (N) w jądrze, w szczególności w układach oddalonych od ścieżki stabilności beta?
- Jak oscylacje pojedynczych nukleonów składają się w ruchy kolektywne zdeformowanej powierzchni jądra?
- Gdzie leżą granice istnienia jąder atomowych?
- Jak równanie stanu materii jądrowej bogatej w neutrony zależy od asymetrii N/Z?
- Które nuklidy mają szczególny udział w procesach nukleosyntezy ciężkich pierwiastków w gwiazdach i jakie są ich własności?
Potencjał odkrywczy programu eksperymentalnego NUSTAR jest związany z unikalnymi własnościami akceleratorów FAIR do tworzenia, rozdzielania i identyfikowania interesujących wiązek jonów radioaktywnych, o intensywnościach większych niż gdzie indziej na świecie. Układ akceleratorów SIS100 i LINAC, pozwoli na zwiększenie energii i intensywności wiązek wszystkich przyspieszanych jonów. Najcięższa, pierwotna wiązka uranu 238U przy energii 1,5–2 GeV/nukleon osiągnie intensywność 1012 cząstek/s, co odpowiada wzrostowi o 2-3 rzędy wielkości względem wartości dostępnych obecnie w GSI oraz innych urządzeń tego typu na świecie. Dla porównania RIKEN (Japonia) pracuje z wiązkami o energii do 0,35 GeV/nukleon, a FRIB (USA) do 0,2 GeV/nukleon. Większa energia wiązek pierwotnych umożliwia produkcję wiązek radioaktywnych o znacznej większej intensywności. Nadprzewodzący separator fragmentów SFRS posłuży do wytwarzania wtórnych wiązek radioaktywnych (RIBs) poprzez fragmentację lub rozszczepienie ciężkiego, relatywistycznego pocisku bombardującego układ tarcz. To nowe urządzenie zapewni znacznie większą, w porównaniu do działającego w GSI separatora fragmentów FRS, transmisję, co przełoży się na mniej więcej tysiąckrotny wzrost intensywności RIBs.
CBM/HADES: Teoria oddziaływań silnych nosi nazwę Chromodynamiki Kwantowej (QCD), a jej podstawowymi stopniami swobody są kwarki jako oddziałujące ładunki kolorowe oraz gluony, które są nośnikiem tego oddziaływania. Ponieważ gluony niosą ładunek kolorowy, to mogą również oddziaływać między sobą – przeciwnie do teorii oddziaływań elektromagnetycznych (QED), w której nośniki oddziaływania, fotony, nie oddziaływają pomiędzy sobą. Ta własność QCD sprawia, że materia silnie oddziałująca może zachowywać się w bardzo złożony sposób, a obliczenia (najczęściej numeryczne) w ramach tej teorii są niezwykle skomplikowane. Teoria QCD przewiduje istnienie wielu stanów silnie oddziałującej materii w zależności od jej temperatury i gęstości barionów. Te różne możliwe stany są przedstawiane na tak zwanym diagramie fazowym silnie oddziałującej materii. Główną misją filaru CBM jest zbadanie diagramu fazowego materii silnie oddziałującej w rejonie dużych gęstości barionowych opisywanych przez dużą wartość potencjału barionowego µB za pomocą zderzeń ciężkich jonów. Naukowym celem eksperymentów będzie znalezienie odpowiedzi na następujące podstawowe pytania:
- Jaka jest postać równania stanu materii jądrowej o wysokiej gęstości, która jest istotna dla naszego zrozumienia zjawiska wybuchów gwiazd supernowych, struktury gwiazd neutronowych oraz dynamiki fuzji gwiazd neutronowych?
- Jakie są odpowiednie stopnie swobody przy dużych gęstościach barionów?
- Czy istnieje przejście fazowe od materii hadronowej do materii kwarkowo-gluonowej, obszar współistnienia faz i punkt krytyczny?
- Czy istnieją egzotyczne fazy QCD, takie jak materia kwarkonowa (ang. quarkyonic matter)?
- Czy możemy znaleźć eksperymentalne dowody na przywrócenie symetrii chiralnej, której łamanie w próżni jest odpowiedzialne za generowanie mas hadronów zbudowanych z lekkich kwarków?
- Jak daleko możemy rozszerzyć wykres jąder w kierunku trzeciego wymiaru (dziwności), produkując pojedyncze i podwójne hiperjądra?
- Jaką rolę odgrywają hiperony w jądrach gwiazd neutronowych?
Odkrycie nowych hiperjąder i pomiar czasu ich życia dostarczy informacji o oddziaływaniu hiperon-nukleon i hiperon-hiperon, co pozwoli lepiej zrozumieć zagadnienia związane z występowaniem hiperonów w jądrach gwiazd neutronowych oraz ich maksymalnej masy. Zrealizowanie tego programu będzie możliwe dzięki połączeniu wysokiej intensywności wiązki z SIS100 z detektorami CBM/HADES, posiadającymi możliwość pomiarów przy nieosiąganych wcześniej częstotliwościach interakcji rzędu kilku milionów na sekundę i możliwości pomiaru bardzo rzadkich sygnatur. Istnieje wiele eksperymentów, które planują zbadanie diagramu fazowego QCD w obszarze wysokiej wartości barionowego potencjału chemicznego, takich jak Nuclotron (BM@NICA) w JINR, J-PARC HI w Japonii, CEE w HIAF w Chinach i STAR Fixed Target (FXT) w RHIC. W eksperymencie BM@NICA odpowiednie energie (porównywalne z energiami osiąganymi w akceleratorze SIS100) będą osiągane jedynie przy zderzaniu wiązek przeciwbieżnych, co w znacznym stopniu będzie ograniczać intensywność reakcji. STAR FXT zakończył zbieranie swoich danych w 2021, ale nie miał możliwości zgromadzenia wystarczającej statystyki do przeprowadzenia kluczowych dla zrozumienia silnie oddziałującej materii badań takich jak: poszukiwania sygnatur punktu krytycznego poprzez pomiary fluktuacji, produkcja powabu lub par dileptonowych, które nigdy nie były badane w tym obszarze energii.
PANDA: Celem badań jest spektroskopia hadronów w anihilacji proton-antyproton z niespotykaną dotąd precyzją. Eksperymenty prowadzone będą z wykorzystaniem wewnętrznej wiązki antyprotonów akceleratora HESR o pędzie z zakresu od 1,5 do 15 GeV/c oraz stacjonarnej tarczy protonowej lub tarcz jądrowych. Dzięki zastosowaniu chłodzenia elektronowego i stochastycznego w tzw. modzie wysokiej rozdzielczości, możliwe będzie uzyskiwanie niezwykle małego rozmycia pędowego wiązki na poziomie 10-5. Stworzy to unikalne warunki do skanowania kształtu rezonansów, w szczególności wąskich stanów czarmonium, wytwarzanych w procesie formacji (pbar p -> mezon), w obszarze energii przekrywającym masę danego stanu oraz poszukiwania stanów egzotycznych, tzn poza modelem kwarkowym, niedostępnych w procesach formacji w zderzeniach e+e-. Wyjątkowa rozdzielczość energii PANDY ma ogromne znaczenie, ponieważ pozwala eksperymentom określić, czy dana cząstka jest „zwartym” czy też „molekularnym” hadronem – tj. stanem związanym mezon-barion. Realizacja infrastruktury badawczej PANDY została przesunięta poza 2032 rok, jednakże detektory budowane przez polskie grupy badawcze dla PANDY są i będą wykorzystane w innych eksperymentach fizyki hadronowej na FAIR. W eksperymencie HADES badana jest struktura elektromagnetyczna barionów z zawartością kwarków lekkich i dziwnych, oraz ich spektroskopia masowa za pomocą wiązek pionów. W ramach eksperymentu CBM prowadzone będą badania struktury hadronów oraz ich oddziaływanie za pomocą wysokoenergetycznych wiązek protonów. W eksperymencie CBELSA prowadzone będą badania spektroskopii barionów w reakcjach foto-produkcji uzupełniające badania HADES za pomocą wiązek pionów.
Podsumowując: FAIR pozwala na badania, które nie są dostępne w kraju i są unikalne w skali światowej w wielu aspektach. Program badawczy zderzeń ciężkich jonów CBM jest unikalny w skali światowej i komplementarny do badań prowadzonych CERN na LHC (obszar badań diagramu fazowego QCD o dużych wartościach μb). Podobnie filar APPA umożliwia prowadzenie unikalnych testów QED w bardzo silnych polach elektromagnetycznych oraz program biologiczny o dużym znaczeniu dla człowieka oraz misji międzyplanetarnych. Program wiązek radioaktywnych (RIB) oparty na SFRS będzie przewyższał intensywnością oraz energią wiązek podobne infrastruktury badawcze na świecie (FRIB-USA, RIKEN-Japonia, SPIRAL2, ISOLDE-CERN) umożliwiając badania izotopów poza ścieżką stabilności o dużym znaczeniu dla zrozumienia procesów syntezy pierwiastków we wszechświecie.
Wymienione wyżej elementy programów badawczych są nacelowane na zrozumienie zjawisk zachodzących zarówno we wczesnym wszechświecie, jak i tych obserwowanych obecnie dzięki nowym możliwościom astrofizyki. W związku z powyższym FAIR otrzymał akronim „The Universe in the LAB“.
