Physik der kleinsten Teilchen

Die Materie besteht aus Atomkernen und Elektronen. Doch woraus bestehen die Kerne, und wie treten ihre Bausteine miteinander in Wechselwirkung? Diesen und anderen Fragen geht der Förderbereich „Physik der kleinsten Teilchen“ nach.

Um in die kleinsten Dimensionen unserer Welt vorzudringen, stellen Physikerinnen und Physiker die Bedingungen kurz nach der Entstehung des Universums im Labor nach. Immer leistungsstärkere Teilchenbeschleuniger ermöglichen ihnen immer tiefere Einblicke in die innerste Struktur der Materie. Diese Grundlagenforschung liefert fundamentale Erkenntnisse in der Physik und ist gleichzeitig ein Motor für technische und medizinische Innovationen.

Die gesamte sichtbare Materie im Universum – vom Staubkorn bis hin zu Galaxien wie unserer Milchstraße – lässt sich letztlich auf eine kleine Anzahl fundamentaler Bausteine und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte zurückführen. Diese Erkenntnis wäre ohne Teilchenbeschleuniger unmöglich gewesen. Denn nur hierin lassen sich die Bestandteile von Atomen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und schließlich gezielt zur Kollision bringen.

Teilchenbeschleuniger für die Grundlagenforschung

Der weltweit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger ist der Large Hadron Collider, kurz LHC, am europäischen Forschungszentrum CERN nahe Genf: In einem knapp 27 Kilometer langen, nahezu kreisförmigen Tunnel treffen Wasserstoffkerne mit zuvor unerreichten Energien aufeinander. Dabei entstehen ganz neue Materiezustände und Teilchen – wie das im Jahr 2012 entdeckte Higgs-Teilchen. Um diese aufzuspüren und zu erforschen, vermessen Physikerinnen und Physiker die Teilchenspuren am LHC mit den vier hochpräzisen Nachweisgeräten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb. Mit einer Länge von 46 Metern und einem Durchmesser von 25 Metern handelt es sich bei ATLAS um den größten Detektor, der je an einem Teilchenbeschleuniger zum Einsatz kam. Allein an diesem Experiment arbeiten mehr als 3000 Wissenschaftler aus 38 Ländern – aus Deutschland engagieren sich etwa 430 Forscherinnen und Forscher von 13 Universitäten und zwei Forschungszentren.

3D-Modell der Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), die zurzeit in Darmstadt gebaut wird. © Jan Schaefer für FAIR

Gefördert durch das Bundesforschungsministerium war Deutschland von Anfang an maßgeblich an Planung, Bau und Finanzierung des LHC beteiligt. Als prominentes Beispiel steht dieser Teilchenbeschleuniger für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Großgeräten, mit denen Physikerinnen und Physiker technologisches Neuland betreten und immer weiter in bislang unbekannte Dimensionen unserer Welt vorstoßen.

Dieses Potenzial zeigt sich auch bei der im Bau befindlichen Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Zudem werden Teilchenbeschleuniger mittlerweile in vielen Bereichen der Industrie, Technik und Medizin eingesetzt. Um den immer neuen Anforderungen hinsichtlich Intensität und Qualität der Teilchenstrahlen für die verschiedenen Anwendungen genügen zu können, fördert das Bundesforschungsministerium die ständige Weiterentwicklung dieser Maschinen. So beteiligen sich deutsche Forscherinnen und Forscher derzeit daran, die Detektoren am Large Hadron Collider am CERN für größere Datenraten und Kollisionsenergien auszubauen.

Bei FAIR entstehen künftig Ionenstrahlen in bisher unerreichter Intensität und Qualität. Mit diesen elektrisch geladenen Atomen lassen sich Experimente durchführen, die einen noch nie dagewesenen Einblick in die Struktur der Materie und die Entwicklung des Universums ermöglichen. Bis zu fünf Forschungsprogramme mit unterschiedlichen Anforderungen werden sich an FAIR parallel durchführen lassen, was hocheffiziente und zugleich kostensparende Spitzenforschung auf verschiedenen Feldern garantiert.

Heute schon neue Technologien für morgen entwickeln

Trotz der großen Erkenntnisgewinne der letzten Jahrzehnte bleiben viele grundlegende Fragen noch immer offen. Um nur ein Beispiel zu nennen: Rund 95 Prozent der Energie und Masse im Universum bestehen aus noch unbekannten Zutaten, die man aufgrund ihrer mysteriösen Natur als Dunkle Energie und Dunkle Materie bezeichnet. Solche ungelösten Rätsel treiben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an, immer wieder über sich hinauszuwachsen und die Grenzen des technisch Machbaren weiter zu verschieben.

Aus diesen Herausforderungen entstehende Innovationen wirken sich bis in unseren Alltag aus: Die hohen Ansprüche an die Teilchendetektoren führten beispielsweise bei bildgebenden Verfahren in der Medizin zu höheren Auflösungen. Teilchenbeschleuniger kommen in vielen Bereichen der Industrie, Technik und Medizin zum Einsatz. Und die am CERN optimierten Methoden zur Datenverarbeitung werden auch eingesetzt, um Klimaprognosen zu erstellen oder Medikamente zu entwickeln. Investitionen in die Grundlagenforschung sind daher auch immer Investitionen in die Innovationen von morgen – selbst wenn sich diese heute noch nicht einmal erahnen lassen.