Was die Welt zusammenhält

In Darmstadt entsteht der weltweit modernste Teilchenbeschleuniger

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Der Detektor HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) ist einer der größten Experimentieraufbauten am GSI. Mit ihm wird komprimierte und erhitzte Kernmaterie untersucht, die bei Kollisionen zwischen schweren Ionen entsteht.

Darmstadt - Dieser Raum mitten in der Region atmet Wissenschaftsgeschichte. Am GSI-Helmholtzzentrum entdeckten im Schaltzentrum einst Teilchenphysiker die sechs künstlich erzeugten Elemente 107 bis 112 des aus dem Chemieunterricht bekannten Periodensystems. Von Axel Wölk

Zwei dieser Elemente weisen dann auch in ihren Namen zweifelsfrei auf das Rhein-Main-Gebiet hin: Das Darmstadtium und das fürs Bundesland Hessen stehende Hassium. „Darmstadt ist als Elementenschmiede weltweit bekannt“, freut sich Sprecher Ingo Peter im legendären Saal der renommierten Institution. Jetzt will das bereits 1969 gegründete Zentrum noch stärker aufdrehen und bis 2025 den neuen Ringbeschleuniger Fair (Facility for Antiproton and Ion Research) in Betrieb nehmen. „Wir wollen erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält“, umreißt Peter mit einer Anleihe bei Goethe das Ziel der Teilchenbeschleunigung. Im Grunde nehmen die Darmstädter Ionen – das sind positiv geladene Atome – und lassen sie mit bis zu 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen. Dabei werden die einen Ionen festgehalten, andere rasen in sie hinein. Durch den Zusammenstoß schießen zahlreiche Elementarteilchen heraus, die sich für wissenschaftliche Forschungen analysieren lassen. Eine sogenannte Messkampagne dauert bis zu vier Wochen, während danach für die Auswertung durch Forscher durchaus zwei Jahre ins Land ziehen können.

Das Besondere an der 1350 Mann starken Darmstädter Institution: Als weltweit einziger Forschungseinrichtung lassen sich dort Ionen aller 92 natürlichen Elemente aufeinander prallen. Nicht einmal der riesige Teilchenbeschleuniger Cern in Genf mit seinem 27 Kilometer großen Ring ist dazu in der Lage. Dort lassen sich nur Wasserstoff- und Bleiatome auf annähernde Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Der große Trumpf der Teilchenphysiker im Wald zwischen Darmstadt und Egelsbach ist nämlich die Vielfalt. Zum einen lassen sich alle natürlichen Elemente miteinander kollidieren, aber zudem dank der Menge an Atomen hohe Intensitäten erzielen. Grundlagenforschung ist das A und O der Darmstädter Physiker. Doch Peter betont den praktischen Nutzen. Von 1997 bis 2008 wurden 450 eigentlich todkranke Patienten mit Hirntumoren in Darmstadt-Wixhausen über ionisierte Kohlenstoffatome behandelt. „In 90 Prozent der Fälle gelang eine Heilung“, unterstreicht Peter.

Schaltzentrale: Vom Hauptkontrollraum aus wird die Darmstädter „Elementenschmiede“ gesteuert.

Die Situation sah beinahe irreal aus. An einer Messstation wurde der Urknall simuliert, und gleich nebenan behandelten die Experten mit der entstehenden Strahlung Todkranke. Die Therapie gewann dermaßen viele Unterstützer in Medizin und Politik, dass es seit eineinhalb Jahren die Technologie am Marburger und am Heidelberger Klinikum gibt. In Darmstadt forscht ein Team an Möglichkeiten, dass sich auch die besonders heimtückischen Krebsarten an Lunge und Leber bald besser kurieren lassen. 20.000 Euro kostet eine Therapie. Und offenbar verspricht sie ausgezeichnete Chancen – da die Kasse zahlt.

Strahlung ist ein Thema in Wixhausen. Eine Gefahr für die Bevölkerung schließen die Wissenschaftler aber kategorisch aus. Selbst direkt neben dem Linearbeschleuniger bestehe eine Strahlung, die nach der Abschaltung geringer als die bei einer langen Flugreise ausfalle. Zudem lasse sich anders als in Kernkraftwerken die Strahlungsquelle sofort abstellen, beteuert Peter. Beim Blick in die Halle mit dem Linearbeschleuniger, der sich über eine Gerade erstreckt, stockt dem Betrachter erst einmal der Atem. Über weit mehr als 100 Meter zieht sich die riesige Tube durch den Raum. Durch die Röhren mit einem Durchmesser von zwei Metern werden die Ionen geschossen. Innerhalb der Röhren herrscht während des Betriebs ein Vakuum. Derzeit und wohl noch das komplette nächste Jahr wird die Anlage gewartet und ist deshalb abgestellt.

Blick in den Linearbeschleuniger

Anders als der Linear- verläuft der ebenfalls zum Zentrum zählende Ringbeschleuniger unter der Erde. Deshalb können Besucher sich ihn selbst zu Wartungszeiten nicht anschauen. Linear- und Ringbeschleuniger arbeiten Hand in Hand. Im Linearbeschleuniger werden die Ionen bereits auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht. Danach rasen sie im Ringbeschleuniger, den sie teils mehrere Millionen Mal im Kreis durchlaufen, auf nahe Lichtgeschwindigkeit. Der bewährte Darmstädter Ringbeschleuniger bietet einen Umfang von 200 Metern. Dazu soll ab 2025 eine neue Ringanlage namens Fair in Betrieb gehen. Sie wird letztlich 1,1 Kilometer Umfang messen. Dazu bildeten Physiker aus der Region eine GmbH mit zehn Ländern als Gesellschafter, die primär aus EU-Ländern, Russland und Indien stammen. Das Projekt geriet ein wenig ins Schlingern, als es zu Verzögerungen und zu Mehrkosten von 200 Millionen Euro kam.

In diesem Jahr sollen die Bauarbeiten beginnen. Ziel der mehr als eine Milliarde Euro teuren Anlage ist es, kosmische Materie, wie sie im All bei Sternen, Sternenexplosionen und Sternenkollisionen auftritt, zu erzeugen und zu analysieren. „Wir wollen die Entstehung der Elemente verstehen und neue Isotope entdecken.“ Bei den Versuchen entsteht auch die geheimnisumwitterte Antimaterie. Das GSI-Helmholtzzentrum ist zugleich ein Beleg dafür, dass die Menschheit an einem Strang ziehen kann, wenn sie will. Unter den Wissenschaftlern aus zahlreichen – teils miteinander zerstrittenen – Nationen klappt die Zusammenarbeit laut Peter reibungslos. Selbst zu Zeiten des Kalten Kriegs hätten in Darmstadt Forscher aus dem Westen, der Sowjetunion und China produktiv zusammengewirkt. Im Wald bei Darmstadt entsteht bis zum Jahr 2025 der weltweit modernste Teilchenbeschleuniger – um kosmische Materie zu erzeugen und zu analysieren.

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