DESY: Das Forschungszentrum der kleinsten Teilchen in Hamburg
Am 12. November 1964 wird der Teilchenbeschleuniger offiziell der Wissenschaft übergeben. DESY in Hamburg ist eins der weltweit wichtigsten Zentren zur Erforschung der Materie. Die Wissenschaftler suchen nach den Grundbausteinen der Welt.
Winzigste Teilchen, die annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zum Kollidieren gebracht werden. Super-brillante Lichtblitze, mit denen Forscher bis in die molekulare Struktur der Materie blicken können: Für viele sind die Prozesse, die sich auf dem Forschungsgelände von DESY in Hamburg-Bahrenfeld abspielen, nur schwer vorstellbar. Heute zählt die Anlage mit ihren Beschleuniger-Röhren zu den weltweit bedeutendsten Einrichtungen zur Erforschung der Materie. Am 18. Dezember 1959 wurde sie gegründet.
Bahnbrechend: Die Suche nach den kleinsten Teilchen
Der damalige Erste Bürgermeister von Hamburg, Max Brauer, und der Bundesminister für Atomkernenergie und Wasserwirtschaft, Siegfried Balke, unterschreiben damals im Hamburger Rathaus einen Staatsvertrag zur Gründung der "Stiftung Deutsches Elektronen-Synchrotron", abgekürzt DESY. Das Vorhaben ist bahnbrechend - Teilchenbeschleuniger gibt es damals nur in wenigen Ländern, darunter in den USA. 100 Millionen D-Mark soll die Anlage kosten, 90 Prozent übernimmt das Bundesministerium, zehn Prozent die Stadt Hamburg.
Doch wozu der ganze Aufwand? Forscher hatten herausgefunden, dass es weit mehr der winzigen Materiebausteine gibt als zuvor angenommen. Man spricht von einem ganzen "Teilchenzoo". Ab Ende der 1950er-Jahre wollen sich Forscher erstmals auch in Deutschland auf die Suche nach den kleinsten Materiebausteinen begeben. Entstehen soll die Anlage in Hamburg-Bahrenfeld - auf einem Gelände, das in der Vergangenheit als Exerzierplatz und Militärflughafen genutzt wurde.
1964: Die Forschung im "Teilchenzoo" beginnt
Bis die riesige Einrichtung betriebsbereit ist, dauert es mehr als vier Jahre. Am 25. Februar 1964, kurz vor Mitternacht, ist es endlich so weit: Eine Handvoll Physiker drängt sich im Kontrollraum des neuen Teilchenbeschleunigers. Die Forscher drücken auf den entscheidenden Schalter - und können kurz darauf jubeln: Rund 8.000 Mal flitzt der erste Elektronenstrom durch die kreisförmige Vakuumröhre des Beschleunigers. Wenige Monate später geht DESY offiziell in Betrieb. Am 12. November 1964 wird der Teilchenbeschleuniger offiziell der Wissenschaft übergeben - "eine Art politischer Startschuss", wie Pressesprecher Thomas Zoufal dem NDR 2024 mitteilt.
Fast mit Lichtgeschwindigkeit rasen die Elektronen durch die Röhre, große Elektromagneten halten sie in ihrer Bahn. Forscher lassen die Elektronen frontal aufeinanderprallen, wenn diese genug Energie aufgenommen haben. Bei der Kollision entstehen kurzlebige Teilchen, winzige Bausteine der Materie. Detektoren machen sie für die Forscher sichtbar.
Auf DESY folgen weitere Beschleuniger
Der Beschleuniger DESY, der der gesamten Forschungsanlage bis heute seinen Namen gibt, ist aber nur der Anfang. Im Lauf der Jahrzehnte entstehen weitere Beschleuniger - sie heißen DORIS, PETRA oder auch HERA, mit 3,6 Kilometern der längste Beschleunigerring auf dem Gelände. Heute ist die Entwicklung, der Bau und der Betrieb von Teilchenbeschleunigern neben der Teilchenphysik und der Forschung mit Photonen einer der insgesamt drei Forschungsschwerpunkte bei DESY.
Das Gluon - entdeckt bei DESY
Die Teilchenphysik, die sich der Frage nach dem inneren Aufbau der Materie widmet, ist der älteste der drei Forschungsbereiche. Einen besonderen Erfolg auf diesem Gebiet verbuchen die Forscher 1979: An PETRA können die Wissenschaftler erstmals das Gluon nachweisen - die wohl bekannteste Entdeckung, die bei DESY bis heute gemacht wurde. Das Gluon ist das Trägerteilchen der sogenannten starken Kraft. Sie ist neben der Gravitation, der elektromagnetischen Kraft und der sogenannten schwachen Kraft eine der vier fundamentalen Naturkräfte. Bildlich gesprochen ist das Gluon eine Art Klebstoff, das die Materieteilchen zusammenhält.
Mit Lichtblitzen die Nanowelt erkunden
Ein dritter Schwerpunkt bei DESY ist heute die Forschung mit Photonen, also Lichtteilchen. Werden Elektronen stark beschleunigt, geben sie einen Teil ihrer Energie als intensiven Lichtstrahl ab. Diese sogenannte Synchrotronstrahlung können Wissenschaftler nutzen, um sich Einblicke in die Nanowelt zu verschaffen und beispielsweise Molekülstrukturen zu untersuchen. Oder auch, um verschiedenste Materialien zu "durchleuchten". So wird etwa mit der Synchrotronstrahlung des Beschleunigers DORIS im Jahr 2008 ein übermaltes Van-Gogh-Gemälde wieder sichtbar gemacht - ein Forschungserfolg, der auch in den Medien ein breites Echo findet.
Auch PETRA dient mittlerweile als Röntgenstrahlungsquelle. Seit 2009 erzeugen Wissenschaftler mit PETRA III Strahlung im Bereich des harten, sehr kurzwelligen Röntgenlichts. Dieses Licht ist sehr intensiv, scharf gebündelt und blitzt in kurzen Pulsen. Forscher können damit sehr kleine Proben untersuchen. Biologen nutzen es etwa, um die atomare Struktur von Proteinkristallen zu erforschen.
FLASH - ultrakurze Lichtblitze
Mit dem Freien Elektronen Laser FLASH ist auf dem DESY-Gelände seit 2005 auch ein Linearbeschleuniger in Betrieb - der erste weltweit, der Lichtblitze im extremen Ultraviolettbereich bis hin zur weichen, also relativ langwelligen Röntgenstrahlung erzeugt.
Statt im Kreis werden die Teilchen in der 300 Meter langen, schnurgeraden Anlage durch einen supraleitenden Beschleuniger fast bis auf Lichtgeschwindigkeit gebracht und durch "Undulatoren" geleitet - Strukturen aus vielen Hundert Magnetpaaren, die die Elektronen auf einen Slalomkurs zwingen. Dabei senden die Teilchen ultrakurze, starke Lichtblitze aus. Mit ihnen lassen sich unter anderem Prozesse verfolgen, die extrem schnell ablaufen, wie beispielsweise chemische Reaktionen.
Sowohl die Messplätze in der FLASH-Experimentierhalle als auch bei PETRA sind sehr begehrt - nur ein kleiner Teil der weltweiten Anfragen von Forschungseinrichtungen und Unternehmen kann bedient werden. Die Anlage soll daher ab 2020 zur neuen Anlage FLASH2020 ausgebaut werden.
European XFEL: Der weltweit längste Röntgenlaser
Auf dem gleichen Prinzip wie FLASH basiert auch der europäische Freie-Elektronen-Röntgenlaser European XFEL, der 2017 seinen wissenschaftlichen Betrieb aufnahm. Er ist die jüngste Anlage bei DESY und der weltweit größte Röntgenlaser.
Mithilfe seiner Röntgenblitze können Forscher atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, chemische Reaktionen filmen und dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos, also der Welt der Zellen und Moleküle, machen. Die 3,4 Kilometer lange, lineare Beschleunigerröhre führt unterirdisch vom DESY-Gelände bis hinter die Landesgrenze zu Schleswig-Holstein und endet dort in einer Experimentierhalle. An der Finanzierung der rund 1,2 Milliarden Euro teuren Anlage beteiligten sich zwölf Länder, größte Geldgeber sind Deutschland und Russland.
Dem Higgs-Teilchen auf der Spur
Doch auch die Teilchenphysik hat für DESY weiterhin größte Bedeutung. So sind die Hamburger an den Forschungen am Large Hadron Collider LHC beteiligt, einem gigantischen Ringbeschleuniger mit 27 Kilometern Umfang beim Forschungszentrum CERN in Genf. Dort entdeckten Forscher im Jahr 2012 das lang gesuchte Higgs-Teilchen. Auch an dem Zukunftsprojekt International Linear Collider ILC , einem Linearbeschleuniger, der unter anderem das Higgs-Teilchen näher untersuchen soll, arbeitet das DESY mit. Allerdings steht die endgültige Entscheidung, ob dieses Projekt verwirklicht wird, derzeit noch aus.
Geisterteilchen im ewigen Eis
Ein weiteres spektakuläres Projekt, an dem DESY beteiligt ist, heißt Icecube: Bis zu 2.450 Meter tief ins ewige Eis der Antarktis haben Forscher mehr als 5.000 Detektoren eingelassen. Sie dienen als riesiges Teleskop, um sogenannte Neutrinos aufzuspüren. Diese extrem leichten Teilchen fliegen durch alle Materie meist ungehindert durch und werden deshalb auch Geisterteilchen genannt. Nur ganz selten kollidieren sie mit Materieteilchen und lassen sich auf diese Weise beobachten. In der Antarktis suchen die Forscher nach Neutrinos, die nicht aus unserem Sonnensystem, sondern etwa aus Schwarzen Löchern oder Supernova-Explosionen stammen. Sie können Aufschluss über diese gewaltigen kosmischen Ereignisse geben. Zweimal - im Jahr 2012 und erneut 2013 - konnten die Forscher diese energiereichen Neutrinos bereits in den Tiefen des Weltalls aufspüren.
Weltweit bedeutendes Forschungszentrum
Mit seinen drei Forschungsbereichen ist DESY heute eines der weltweit wichtigsten Zentren zur Erforschung der Struktur und Funktion von Materie. Etwa 3.000 Gast-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler aus rund 40 Nationen erforschen dort mithilfe der Beschleuniger den Mikrokosmos in seiner ganzen Vielfalt. Unter anderem testen sie das Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe oder beobachten den Ablauf lebenswichtiger Prozesse zwischen Molekülen und liefern so wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Medikamenten und neuen Technologien.
Besucherinnen und Besuchern sollen in Zukunft hautnah erleben können, wie die Forschung bei DESY stattfindet. Das DESYUM - ein Besucherzentrum - soll das neue Aushängeschild werden. Auf gut 3.300 Quadratmetern Nutzfläche sollen Tagungsräume, Büros, ein Auditorium, eine Cafeteria, eine Dachterrasse und eine Ausstellung entstehen.
