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Das Desy wird 60: Die Teilchenjäger von Bahrenfeld

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Marc Hasse
Desy-Physiker Winfried Decking steht neben dem Teilchenbeschleuniger für den Super­laser European XFEL. In den gelben Rohren werden Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Desy-Physiker Winfried Decking steht neben dem Teilchenbeschleuniger für den Super­laser European XFEL. In den gelben Rohren werden Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Foto: Roland Magunia

An dem Hamburger Forschungszentrum untersuchen Wissenschaftler aus aller Welt die Struktur und Funktion der Materie.

Hamburg. Wenn Hamburgs Forschungseinrichtungen bei den Nächten des Wissens ihre Türen für jedermann öffnen, zieht es besonders viele Besucher zu einem Ort im Westen der Hansestadt, wo es um die allerkleinsten Dinge geht und um die ganz großen Zusammenhänge: am Deutschen Elektronen-Synchro­tron (Desy) in Bahrenfeld. Tausende Menschen strömen dann über das weitläufige Gelände und durch hell erleuchtete Labore.

Mehr als 2600 Mitarbeiter aus 77 Herkunftsländern und 3000 Gastforscher pro Jahr sind am Desy beschäftigt, das zur Helmholtz-Gemeinschaft gehört und zu 90 Prozent vom Bund finanziert wird. Die meisten Forscher dort sind Physiker und widmen sich der Struktur und Funktion von Materie – von den Grundbaubausteinen unserer Welt über das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis zur Beschaffenheit des Kosmos, die in weiten Teilen rätselhaft ist.

Das Desy, das morgen sein 60-jähriges Bestehen feiert, ist eine Stadt in der Stadt: Auf dem 59 Hektar großen Campus erstrecken sich 295 Gebäude. Viele erinnern an Lagerhallen, äußerlich unscheinbar. Doch hinter den Fassaden öffnet sich eine Welt aus Tunneln und Röhren, Kabeln und Computern, die auch Laien fasziniert, stehen diese Anlagen doch für Experimente an den Grenzen des technisch Machbaren und unserer Vorstellungskraft.

Elektronen werden fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt

Nur ein Beispiel: Etwa zweieinhalb Jahre lang fügten Desy-Techniker in einem Tunnel unter der Erde zwischen Bahrenfeld und Schenefeld in Schleswig-Holstein zwölf Meter lange Rohre zusammen, jedes Teil zwölf Meter lang und dick wie der Stamm eines Mammutbaumes, insgesamt 96 Stück auf einer Länge von 1,7 Kilometern. Das Innere dieser sogenannten Resonatoren bildet eine Rennstrecke für Elektronen. Diese Teilchen kennt jeder: Fließen sie durch einen Draht, ist das ein elektrischer Strom.

Hier aber mutieren die Elektronen durch einen Trick zu Surfern mit Superkräften: Gepackt von einer elektromagnetischen Welle, werden sie augenblicklich fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gewinnen immer mehr Energie. Dann rasen die Teilchen als „Pakete“ durch einen 210 Meter langen Abschnitt, in dem mehr als 17.000 abwechselnd gepolte Magnete sie zum Slalom zwingen.

Dadurch senden die Elektronen laserartig gebündeltes Röntgenlicht aus. Weil jedes Paket Milliarden Elektronen enthält, ergibt das zusammen ex­trem helle Röntgenblitze. Spiegel leiten die Blitze in eine unterirdische Halle in Schenefeld. Dort werden sie in einer Kammer konzentriert auf einen Punkt, der um ein Vielfaches kleiner ist als der Durchmesser eines Haares.

Wenn in dieser Kammer etwa chemische Vorgänge simuliert werden und dabei Atome zu Molekülen zusammenfinden, geschieht das etwa eine Billion Mal schneller als der Flügelschlag des Kolibris. Früher ließen sich solche wahnwitzig rasanten Vorgänge nicht im Detail beobachten. Die nun erzeugbaren ex­trem intensiven und zugleich kurzen Lichtblitze jedoch sollen solche Teilchen schneller „fotografieren“, als sie sich bewegen können. Aus den Einzelaufnahmen lassen sich Filme zusammensetzen.

Bei der Gründung ging es vor allem um Elementarteilchen

Ohne den von Desy konstruierten Teilchenschleuniger wäre dieses Instrument – Supermikroskop und Hochleistungskamera in einem – zumindest nicht in Hamburg gebaut worden, gäbe es hier also die 2017 eröffnete Forschungsanlage European XFEL wohl nicht, die Aufmerksamkeit aus aller Welt auf die Wissenschaft in Hamburg lenkt. Es geht um Fragen wie: Lässt sich die Photosynthese der Pflanzen nachahmen, um umweltschonend Brennstoff zu gewinnen? Welche Struktur haben Biomoleküle, die eine Rolle bei Krankheiten spielen, an welcher Stelle könnten neue Therapien ansetzen? Wie lassen sich effizientere Katalysatoren konstruieren?

Um solche hochkomplexen Anwendungen ging es vor 60 Jahren bei der Gründung des Desy noch nicht, sondern vor allem um Elementarteilchen. Erst ansatzweise in der Entstehung begriffen war damals das Standardmodell der Teilchenphysik, das die Grundbausteine unserer Welt beschreibt und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken.

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Nach der Unterzeichnung des Staatsvertrags zur Gründung für das „Deutsche Elek­tronen-Synchrotron“ am 18. Dezember 1959 im Hamburger Rathaus entstand in Bahrenfeld ein Elektronen-Synchrotron, der Namensgeber für das neue Forschungszentrum. In diesem „Ur-Beschleuniger“ wurden ab 1964 Elektronen synchron beschleunigt, um sie mit immer mehr Energie zu versehen. In diesem Zustand prallten die Elektronen in einer Kammer auf andere Teilchen, etwa Atomkerne (Protonen). Bei derart hohen Energien sollten bei diesen Kollisionen – so die These – bisher unbekannte Teilchen entstehen.

Von der Teilchenphysik zur Forschung mit Röntgenlicht

Tatsächlich gelang es Physikern in den folgenden Jahrzehnten, mithilfe von Teilchenbeschleunigern alle vorhergesagten Mitglieder des Standardmodells nachzuweisen und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Mehrere Meilensteine auf diesem Weg sind mit Desy verbunden, hinzu kamen weitere Erfolge.

1979 gelang Hamburger Forschern mit dem 2,3 Kilometer langen Ringbeschleuniger PETRA der Nachweis des Gluons, jenes „Klebeteilchens“, das den Atomkern zusammenhält.

1990 ging mit HERA der größte Beschleuniger am Desy in Betrieb. Bei den Experimenten mit dieser 6,3 Kilometer langen Maschine entschlüsselten Hamburger Forscher die komplizierte Struktur des bekannten Protons. Dieses Wissen ging nicht nur in Lehrbücher ein, sondern bildet eine wichtige Grundlage für die Arbeiten mit dem 27 Kilometer langen Large Hadron Collider (LHC), dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt am Forschungszentrum CERN in Genf, der 2008 eröffnet wurde.

Im Jahr 2009 erhielt die israelische Forscherin Ada Yonath den Chemienobelpreis – sie hatte mit dem DORIS-Beschleuniger am Desy mehr als 20 Jahre lang Experimente zur Entschlüsselung des menschlichen Ribosoms durchgeführt, jene Partikel in unseren Zellen, an denen Proteine hergestellt werden.

Für besonderen Jubel am Desy sorgte 2012 der Nachweis des Higgs-Bosons am LHC in Genf. Dieses Teilchen, benannt nach dem schottischen Physiker Peter Higgs, bildet das zentrale Element des Standardmodells. Demnach umgibt uns ein unsichtbares Feld: Jedes Teilchen, das hindurch fliegt, wird langsamer und hat somit eine Masse.

Das erklärt, warum es Materie gibt: uns Menschen, Planeten, Sterne. Das Feld gibt sich nur durch seine Schwingungen zu erkennen – in Form von Higgs-Teilchen. Wie die Forschungssensation einzuordnen war, erklärte der Öffentlichkeit übrigens in einfachen Worten CERN-Chef Rolf-Dieter Heuer. Der Physikprofessor war bis 2009 Forschungdirektor des Desy.

Von 2007 bis 2010 baute Desy Anlage PETRA in die weltbeste Röntgenquelle um

Etwa 150 Physiker vom Desy und der Uni Hamburg hatten zur Konstruktion und Arbeit mit zwei riesigen Detektoren beitragen, mit denen der Nachweis des Higgs-Bosons gelang. Experimente mit Detektoren lassen sich auch von Kontrollräumen am Desy steuern.

Trotz seiner Bedeutung für das Desy markierte der Aufbau des LHC in Genf einen Wendepunkt für die Hamburger. Der so erfolgreiche Teilchenbeschleuniger HERA wurde 2007 abgeschaltet, weil Deutschland nun verstärkt in die Forschung am CERN investierte, das heute von 22 Mitgliedsstaaten getragen wird. Die Zeit der nationalen Teilchenphysik-Projekte ginge zu Ende.

Ein Zukunftskonzept lag am Desy schon vor. Bereits der „Ur-Beschleuniger“ hatte ein – damals eher lästiges – Abfallprodukt erzeugt: hoch intensives Röntgenlicht. Desy-Forscher zählten zu den ersten, die damit experimentierten und erkannten, dass diese Strahlung besonders geeignet ist, die detaillierte Struktur von Festkörpern und Biomolekülen zu entschlüsseln. Von 2007 bis 2010 baute Desy die Anlage PETRA in die weltbeste Röntgenquelle um.

Zudem wurde das Forschungszentrum zu einem zentralen Unterstützer der Experimente mit dem Röntgenlaser European XFEL – wie eingangs beschrieben. Bis 2030 will das Desy 200 Millionen Euro in Bahrenfeld und an seinem zweiten Standort in Zeuthen bei Berlin investieren, wo es vor allem um Astroteilchenphysik geht.

Desy-Chef Helmut Dosch forderte zuletzt, dass Forscher sich stärker als bisher gegen Desinformation und den Einfluss von Populisten wehren sollen. Er kündigte eine „Dialog-Offensive für eine gesellschaftlich engagierte Forschung“ an. „Desy war von Anbeginn ein internationaler Anker für Wissenschaftler, die auf wissenschaftliche und politische Unterstützung angewiesen waren“, sagt Dosch. Heute sei das Desy „mehr denn je in der Verantwortung, wissenschaftliche Brücken zu bauen“.

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