Riesige Teilchenbeschleuniger nehmen die Welt des Kleinsten unter die Lupe. Für die Anlagen gilt offenbar die Maxime: Nicht kleckern, sondern klotzen. Dazu passt die Aussage: „Je weiter der Mensch in den Mikrokosmos vordringen will, je winziger die Objekte seiner Forschungen sind, um so gewaltiger müssen die Geräte sein, die er dazu baut und benutzt.” So stand es vor 50 Jahren in bild der wissenschaft (Heft 2/1964, „Die Entdeckung der Elementarteilchen”). Der Satz stammt von Willibald Jentschke, damals Direktor am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.
1964, im Gründungsjahr von bild der wissenschaft, nahm dieses Forschungszentrum den Teilchenbeschleuniger in Betrieb, nach dem die ganze Einrichtung benannt ist. Das DESY ist ein Kreisbeschleuniger für Elektronen mit – heutzutage vergleichsweise bescheidenen – 300 Meter Länge. Zum Vergleich: Der LHC am europäischen Kernforschungszentrum CERN beschleunigt Protonen in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel.
Für das DESY war 1964 der Startschuss für Jahrzehnte erfolgreicher Forschung in der Teilchenphysik. „Ende der 1970er-Jahre wurde hier das Gluon entdeckt, das die Quarks – Bestandteile der Protonen und Neutronen – zusammenhält”, nennt DESY-Wissenschaftler Eckhard Elsen ein Beispiel. Doch trotz aller Erfolge sind diese Zeiten jetzt vorbei: „Wir betreiben keine eigenen Beschleuniger für die Teilchenphysik mehr”, erklärt Reinhard Brinkmann, Direktor des Beschleunigerbereichs.
In dem Hamburger Forschungszentrum laufen zwar nach wie vor mehrere Beschleuniger – aber nicht, um neue Elementarteilchen aufzuspüren, sondern aus einem anderen Grund. Sie erzeugen etwas, was ursprünglich als Abfallprodukt galt: Synchrotronstrahlung. „ Elektronen verlieren bei der Ablenkung durch Magnetfelder in Ringbeschleunigern Energie, indem sie Röntgenstrahlung aussenden” , erläutert Brinkmann. Diese Strahlung ist nützlich, da sie besondere Eigenschaften hat: „Der Strahl hat einen Durchmesser von tausendstel Millimetern und ist extrem kurz gepulst.”
Damit können Forscher hoch auflösende Röntgenquellen bauen, sogenannte Freie-Elektronen-Laser – sozusagen Röntgenmikroskope. Am DESY wird derzeit zusätzlich zum Freie-Elektronen-Laser FLASH ein 3,4 Kilometer langer Röntgenlaser gebaut. Diese Anlagen ermöglichen Einblicke in die Nanowelt, sie helfen bei der Materialforschung oder in den Geowissenschaften: Hüftgelenke von Käfern können dreidimensional dargestellt, chemische Katalysatoren untersucht, Schweißverfahren überwacht oder radioaktive Sedimente untersucht werden. „Das Forschungsgebiet mit Photonenstrahlen hat extremen Aufschwung genommen”, freut sich Reinhard Brinkmann. „Gleichzeitig sind die hier eingesetzten Technologien für mögliche zukünftige Teilchenphysikprojekte höchst relevant.”
So ganz möchten die Hamburger die Arbeit an der Teilchenphysik nicht sein lassen. DESY-Forscher wie Eckhard Elsen arbeiten an der Zukunft dieser Disziplin. Derzeit plant ein großes Team den International Linear Collider (ILC), einen Linearbeschleuniger, der 30 Kilometer lang werden soll. Die Forschungsergebnisse des LHC könnten damit überprüft werden. „Der LHC ist die Entdeckermaschine, der ILC die Präzisionsmaschine”, resümiert Elsen. Das DESY ist an diesem Großprojekt beteiligt.
Ende dieses Jahrzehnts könnte mit dem Bau der Anlage in Japan begonnen werden. Geht es nach Elsen und seinen Kollegen, werden dann viel Technologie und Know-how für den neuen Teilchenbeschleuniger vom DESY kommen. Franziska Konitzer
