50 Jahre DESY in Hamburg

Seit 1959 arbeitet DESY in Deutschland. Mit der Anlage wollen Wissenschaftler dem Geheimnis der Materie auf die Spur kommen. In der Anlage werden die kleinsten Bausteine der Materie untersucht, indem man sie fast mit Lichtgeschwindigkeit zusammenstoßen lässt. Wie das geht, erfahrt ihr hier

Am 18. Dezember 1959 wurde in Hamburg DESY gegründet. DESY ist die Abürzung für Deutsches Elektronen-Synchrotron. Mit dieser Anlage erforschen Wissenschaftler seit nun 50 Jahren den Aufbau der Materie. Seit 1992 gibt es auch einen zweiten DESY-Standort bei Berlin.

Im DESY betreibt man naturwissenschaftliche Grundlagenforschung. Das heißt, dass man, anders als bei industrieller Forschung, nicht direkt ein Produkt oder eine Anwendung vor Augen hat. Sondern man möchte man einfach um des Wissens selbst herausfinden, wie etwas funktioniert. Oft ergeben sich daraus dann später Anwendungen.

Damit solche Grundlagenforschung betrieben werden kann, stellen die 1900 Mitarbeiter von DESY über 3000 Wissenschaftlern aus mehr als 45 Nationen Teilchenbeschleuniger zur Verfügung, ermöglichen Experimente für Teilchenphysiker und stellen einen besonderen Laser, einen Freie-Elektronen-Laser, namens FLASH bereit. 

Welche Teilchen werden beschleunigt? 

 

Diese Darstellung zeigt, von einem Kristall ganz oben ausgehend, den Aufbau der Materie. Der Kristall ist aus Molekülen zusammengesetzt, die wiederum aus Atomen bestehen. Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt, die selbst aus Quarks und Gluonen bestehen. Um so tief in die Mateire schauen und damit mehr über das Universum und uns selbst herausfinden zu können, sind solche komplexen Anlagen wie DESY nötig.

Alles, was du um dich herum siehst, ist aus kleinsten Teilchen, den sogenannten Atomen, aufgebaut. Diese Atome, hielt man lange für unteilbar. Das griechische Wort atomos bedeutet genau das. Doch Anfang des 20. Jahrhunderts fand man heraus, dass auch Atome aus noch kleineren Bausteinen aufgebaut sind: Aus negativ geladenen Elektronen, aus elektrisch neutralen Neutronen und positiv geladenen Protonen.

Die geladenen Teilchen kann man in Magnetfeldern beschleunigen. Dazu gibt es bei DESY die großen Ringbeschleuniger mit mehreren Kilometern Umfang. Der Tunnel der HERA abgekürzten Hadron-Elektron-Ring-Anlage liegt zehn bis 25 Meter unter der Erdoberfläche und hat einen Durchmesser von über fünf Metern. Die Anlage wurde von den gleichen Maschinen gebaut, mit denen man sonst U-Bahntunnel gräbt. 

 

Hier sind die Beschleunigerringe von DESY eingezeichnet. Sie verlaufen unter bewohntem Gebiet und wurden mit Schildvortriebsmaschinen, wie sie auch beim U-Bahnbau verwendet werden, gebaut.

In diesem Tunnel herrscht ein hohes Vakuum und in regelmäßigen Abständen umschließen Magnete die Röhre. diese Magnete sorgen für die Beschleunigung der in den Tunnel eingeschossenen Protonen und Elektronen. Denn diese geladenen Atombausteine werden von Magnetfeldern abgestoßen. Die Magnete im Tunnel werden blitzschnell nacheinander an- und ausgeschaltet.  

Schnell wie der Blitz

Dadurch entsteht eine elektromagnetische Welle, auf der die Teilchen gewissermaßen surfen. Dabei erreichen sie fast die extrem hohe Lichtgeschwindigkeit von knapp 300 000 Kilometern pro Sekunde. Protonen und Elektronen rasen in entgegengesetzter Richtung 47 000 Mal pro Sekunde durch den 6336 Meter langen Tunnel von HERA.  

Wiederum durch Magnete werden die Bahnen der Teilchen schließlich so abgelenkt, dass sie frontal zusammenstoßen. Die Teilchen sind zwar unvorstellbar leicht, aber durch ihre hohe Geschwindigkeit werden bei dem Zusammenprall dennoch sehr hohe Energien freigesetzt.

Auf Kollisionskurs

 

Hier ist schematisch die Kollision zweier Teilchen dargestellt. Dabei entsteht eine Vielzahl an Bruchstücken, die von den Detektoren als kompliziertes Muster wahrgenommen werden. Daraus können Wissenschaftler dann mehr über die kollidierten Teilchen erfahren.

Diese Energie zerschmettert die Teilchen und gibt einen Blick in ihr Inneres frei. Hochkomplizierte Maschinen fangen die Bruchstücke solcher Kollisionen auf und Wissenschaftler erfahren dadurch mehr über den inneren Aufbau der Materie, aus der wir alle bestehen. 

Um tiefer und tiefer in das Gewebe der Materie blicken zu können, bauen Wissenschaftler immer leistungsfähigere Beschleuniger. Mit immer größerer Wucht werden die unsichtbaren Bausteine der Materie durch die Kraft elektromagnetische Felder aufeinander geschleudert. 

Dabei entstehen aus der aufgewendeten Energie nach Einsteins Formel E=mc² viele Teilchenbruchstücke. Aufgabe der Wissenschaftler ist es, dieses verworrene Puzzle der Kollisionstrümmer, das komplexe Detektoranlagen im Tunnel liefern, richtig zu deuten. Die bislang größte dieser Anlagen steht am CERN in Genf, der Large Hadron Collider, kurz LHC. Mehr zu diesem physikalischen Experiment findet ihr im angehängten Artikel "Das Schwarze Loch". 

Übrigens: 

Viele von euch haben einen Elektronenbeschleuniger zu Hause! In alten Röhrenfernsehern und Monitoren werden Elektronen beschleunigt und treffen schließlich auf eine phosphoreszierende, also zum Leuchten anregbare Schicht. So entsteht bei Röhrenfernsehern das Fernsehbild auf der Mattscheibe. 

Text: -jj- 15.12.2009 // Bilder: © DESY Hamburg 

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