Atome auf Kollisionskurs

​Das Geheimnis der Masse lüften

Fotomontage der zukünftigen FAIR-Anlage. Forschende aus aller Welt werden an FAIR in herausragenden Experimenten neue Erkenntnisse über den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Uni... Foto: Gsi Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung Gmbh
Fotomontage der zukünftigen FAIR-Anlage. Forschende aus aller Welt werden an FAIR in herausragenden Experimenten neue Erkenntnisse über den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Uni... Foto: Gsi Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung Gmbh

DARMSTADT: Gigantische Baustelle: In Darmstadt entsteht eine Erweiterung eines Teilchenbeschleunigers. Mit ihm können elektrisch geladene Atome fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Das kann Fortschritte bei vielen Forschungen bringen. Aber auch die Kosten werden vermutlich steigen.

Es sind kleinste außerirdische und irdische Welten - quasi in einem Riesenlabor und teils nur für Sekundenbruchteile. Hier werden kleinste Teilchen in Strömen auf Kollisionskurs geschickt, um Zustände zu schaffen, die es so auf der Erde nicht gibt - in einem Tempo gen Lichtgeschwindigkeit. Forscher entdecken neue chemische Elemente. Sie entwickeln Krebstherapien, die bereits austherapiert erschienen Patienten das Leben gerettet haben und betreiben Grundlagenforschung. Möglich ist dies mit einem Teilchenbeschleuniger beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt südlich von Frankfurt/Main. Und künftig haben noch mehr Forschende aus aller Welt noch größere Möglichkeiten.

Auf einer gigantischen Baustelle in Darmstadt wird die internationale Beschleunigeranlage «Fair» (Facility for Antiproton and Ion Research) gebaut, eines der größten Forschungsvorhaben der Welt. Dort entsteht derzeit ein neuer Beschleunigungsring mit einem Umfang von 1,1 Kilometern, in dem Ionen, also elektrisch geladene Atome, von gigantischen Magneten in Zaum gehalten in einem Vakuum fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Zur Dimension: Licht legt in einem Vakuum in einer Sekunde fast 300.000 Kilometer zurück.

Konnten dem Wissenschaftlichen Geschäftsführer von GSI und «Fair», Paolo Giubellino, zufolge bislang 1000 Wissenschaftler im Jahr hier Experimente machen, werden es künftig rund 3000 sein. «Zigtausende Forscher weltweit versuchen hier über Jahre, Möglichkeiten für Experimente zu bekommen.» An «Fair» sei speziell, dass es sehr breite Forschungsmöglichkeiten biete. Dies sei bei dem viel größeren und erst kürzlich wieder in Betrieb gegangenen Teilchenbeschleuniger LHC der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) in Genf nicht so. Dort gebe es einen viel engeren Fokus, sagt Giubellino, der selbst am Cern experimentierte.

Mit dem neuen Ring, der nach derzeitigen Plänen 2027 fertiggebaut sein soll, und der bereits bestehenden Anlage vom GSI gibt es auf dem Gelände dann zwei Ring- und einen Linearbeschleuniger. Die chemischen Elemente können dann auf 285.000 Kilometer in Sekunde beschleunigt werden, bevor sie zu den Experimenten in die Labore geleitet werden. «Der Linearbeschleuniger ist so etwas wie der erste Gang im Auto», sagt GSI-Sprecher Ingo Peter. In den Ringen werden sie dann in einem Strahlenkanal von Magneten in der Spur gehalten und immer weiter beschleunigt. «Die Anlage ist weltweit die einzige, die alle Elemente beschleunigen kann.»

Hier entdecken Wissenschaftler auch neue Elemente. «Trifft ein Kern zentral auf einen anderen, kann sich ein neuer Atomkern bilden», sagt GSI-Sprecherin Jutta Leroudier. «So gefundene Elemente müssen in anderen Laboren bestätigt werden.» Dann muss sie ein unabhängiges Gremium anerkennen. Sechs neue Elemente wurden hier bereits nachgewiesen. Sie stehen heute im Periodensystem unter den Ordnungszahlen 107 bis 112. Es können Temperaturen, Drücke und Dichten erzeugt werden, wie sie nur im Universum vorkommen», sagt Peter. «Zusammen mit unseren Experimenten kann man dann Phänomene des Universums verstehen.»

Mit hausgroßen Detektoren wollen die Wissenschaftler bei physikalischer Grundlagenforschung das Geheimnis der Masse lösen. «Der Begriff Masse ist noch gar nicht geklärt. Es geht darum zu verstehen, wie Teile aufgebaut sind, wie Massemechanismen funktionieren», sagt Leroudier. An dem Rätsel, wie die Gesamtmasse zustande kommt, arbeiten mehrere 100 Forscher. Einer der großen Detektoren erzeugt dem Helmholtzzentrum zufolge Magnetfelder, die so stark sind, dass man damit 480 Tonnen Eisen anheben könnte.

In Kooperation mit der europäischen Raumfahrtagentur Esa wird auch für Missionen im All geforscht. «Wir wollen die Strahlenrisiken von bemannten Missionen und die möglichen Risiken auch für das Material untersuchen», sagt Leroudier. Von 1997 bis 2008 sind Peter zufolge mit dem Linearbeschleuniger auch tiefer liegende Hirntumore behandelt worden. 450 bereits austherapiert erschienene Patienten wurden dabei punktgenau mit Ionenstrahlen beschossen und so die Tumore abgetötet - eine Therapie, mit der heute Patienten an Kliniken in Heidelberg und Marburg und weiteren im Ausland behandelt werden. «Wir entwickeln die Therapie hier weiter», sagt Peter. Angedacht sei so etwas auch für Tumore in beweglichen Organen oder bei Herzrhythmusstörungen.

Externe Forschergruppen müssen sich bei den Experimenten selbst finanzieren. Vor Ort wird die Infrastruktur bereitgestellt. Bei Anfragen für Experimente beurteilt ein Gremium die Relevanz und gibt dann eine Empfehlung ab. Derzeit ruht der Experimentierbetrieb. Es werden aber die Materialien wie Hochleistungsmagneten für «Fair» getestet. Zudem entsteht eine neue moderne Steuerzentrale und ein rund sechs Stockwerke hohes energieeffizientes Rechenzentrum, um die zu erwartenden gewaltigen Datenmengen zu verarbeiten. Hier können laut GSI mehr als fünf Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde erreicht werden.

Der aktuelle Kostenrahmen liegt dem Bundesforschungsministerium zufolge bei rund 3,1 Milliarden Euro und damit deutlich höher als zu Baubeginn. Aufgrund der Corona-Pandemie, der Baustoffpreisentwicklung und gestörten globalen Lieferketten sei 2021 eine externe Begutachtung durchgeführt worden, die allerdings den Krieg in der Ukraine noch nicht berücksichtigen konnte.

Inflation, der Krieg, Corona und Lieferengpässe: Der technische Geschäftsführer von GSI und «Fair», Jörg Blaurock, ist sich sicher, dass es nicht bei dem Kostenrahmen bleibt. «Es wird eine Kostenerhöhung geben müssen. Das ist durch die Gesamtsituation zu erwarten», sagt der Spezialist für Großbauprojekte. Zudem sei die Zusammenarbeit mit Russland wegen der Sanktionen eingefroren worden. Russland sollte vor allem Magnete liefern. Diese seien ersetzbar, eine technologisch kritische Situation gebe es nicht. Und sein Geschäftsführer-Kollege Giubellino ist sich sicher, dass auf der Anlage später auch wissenschaftliche Grundlagen erforscht werden können, die zu Nobelpreisen führen.

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Hit the Lights 31.07.22 17:50
Ben Frank
Und wenn: dann hat man gelernt, wie etwas nicht geht.
Ja das mit den medizinischen Anwendungen ist interessant, aber bis es einmal leistbare Geräte für diesen Einsatz geht, werden wieder geschätzt 10 Jahre vergehen, das ist kein Trost für jetzt Betroffene. Freilich kann man sich fragen, was bringt es, sich zb mit Quantengravitation oder Stringtheorie zu beschäftigen (ausser die Neugier der Wisdenschaftler zu befriedigen). Anwendungen im ein paar Jahrzehnten durch Zufallsentdeckungen, Fortschritte in der Mathematik, etc.? Es ist sehr abstrakt, das ganze.

Es ist langwierig, wie zb. auch Quantencomputer, aber das scheint jetzt wirklich ins laufen zu kommen. Anscheinend können sie die Zustände von binär 0 und 1 gleichzetig einnehmen, neuerdings ein Zustand auch von 0 bis 7 gleichzeitig, was eine verdreifachung der Rechengeschwindigkeit darstellen würde. Bin gespannt, was da noch passieren wird in den nächsten Jahren.
Ole Bayern 31.07.22 16:10
Herr Sigrist ...
.... alle klaro .... alles ok ..... Missverständnis ... kann ja mal vorkommen , auch bei mir .

VG Ole.
Beat Sigrist 31.07.22 16:04
@Ole Bayern
Sorry, wenn Sie meinen Beitrag falsch verstanden haben. Es ging mir absolut nicht irgendetwas gegen unser Nachbarland, welches ich sehr schätze und selbst viele Jahre dort gearbeitet habe zu stänkern. Ich liebe das Land und vieles mehr in Deutschland, vor allem aber Hamburg! Es ging mir in meinem bescheidenen Beitrag lediglich darum, weil ich den Sinn nicht einsehe, warum jetzt das CERN einen kleinen Bruder bekommen soll, wenn doch schon alles vorhanden ist, und dies grösser und breiter gefächert als das Projekt in Deutschland. Dieses Geld hätte Deutschland besser an, die seit Jahren überfälligen vertraglichen Anschlüsse ans Bahnnetz quer durch Europa fertig zu erstellen investiert, damit der Warenverkehr von Hamburg bis Genua endlich auf den Schienen erfolgen kann. Alle Länder haben dies fertiggestellt, bis auf Deutschland nicht. Für Italien hat die Schweiz sogar das Geld vorgeschossen (lol). Ich denke nicht, dass Deutschland ebenfalls von der kleinen Schweiz einen Kredit benötigt, um seinen vertraglichen Verpflichtungen nachzukommen. Also alles klaro nichts gegen die BRD, sondern nur Fakts.
Ben Frank 31.07.22 16:00
Treffe die Lichter
Die ganze Erde??????? Neeiiiin das ganze Universum !!!!! 55555

Also ich vor ca. 20 Jahren das erste Mal davon gehört und gelesen habe, fand ich das eine ganz tolle Sache, ich war begeistert und dann hörte ich von dem AUS und dachte bei mir, was wurde da ein Geld für (fast) nichts in den Sand gesetzt.
Aber dieser medizinische Aspekt ist beachtenswert.
Hit the Lights 31.07.22 15:50
nicht sicher
Oder wars das Higgins Teilchen (ohne jetzt google zu bemühen). Egal, so ein Higgins Dings halt, was irgendwie die Masse eines Stoffes verursacht.
Hit the Lights 31.07.22 15:40
Ben Frank
Js, da war ja einmal das natürlich von der Regenbogenpresse aufgebauschtes Thema, dass das im CERN ja so gefährlich ist, weil ja die Mini black holes entstehen könnten, die dann unkontrolliert alles verschlingen könnten und im Endeffekt die ganze Erde. Lool.
Ben Frank 31.07.22 15:30
Peter Steinbach
Ja, ich meine sogar noch mehr als 10 Jahre, bin jetzt aber zu faul zum nachschauen. Ist aber auch egal. Jedoch, diese Experimente mit der Beschleunigung wurden vor einigen Jahren eingestellt, weil sie als zu gefährlich eingestuft wurden. Und jetzt, steht im Artikel, geht es in Genf doch wieder weiter und in 5 Jahren in Deutschland?
Hoffentlich spielen die Herren, die hier "Gott spielen" nicht wieder mit dem Feuer. Sollte es dann ohne Risiko klappen, wäret es für die Tumor- und Krebsbekämpfung natürlich ein Riesenerfolg.
Also, positiv denken und Augen zu und durch. Wir haben eh keinen Einfluss darauf.
Hit the Lights 31.07.22 15:30
Das Cern mit dem 27 km Ring gibts schon wesentlich länger als 10 Jahre. Was haben die Investitionen der Mrd. Euros gebracht? Ah ja, das Higgins Feld habens 2012 oder so entdeckt (wie schon vorher vorhergesagt). Aber es ist Grundlagenforschung. Sonst könnte man auch sagen, wozu braucht man ein Hubble (Gravitationswellen nachgewiesen, IIRC), James Webb Teleskop. Als Nebeneffekt fördert es ja auch immens die Weiterentwicklung der Technik. Ausserdem muss man das ja auch langfristig sehen. Es sind Entdeckungen, mit deren Nutzen man jetzt noch nichts anfangen kann.
Ole Bayern 31.07.22 15:10
Herr Sigrist ....
.... weshalb gleich immer wieder Alles negativ sehen ? Das Corona Mehrkosten am Bau verursacht hat und auch weiter verursachen wird , hat ja wohl mittlerweile ein Jeder bereits gehört und verstanden , oder ?
Ich bin kein Physiker , ich kann nicht beurteilen ob ein solches Vorhaben notwendig ist .
Sind Sie etwa Physiker , da Sie kundtun , daß dieses Projekt nichts taugen wird ?
Übrigens bei Ihnen in des Schweiz ( Genf ) ist / wird auch der neue Large Hadron Collider LHC am CERN errichtet , mit Umfang von 100 km.
Er ist der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt, und kostet geschätzt derzeit 10 Mrd SFR , nur in der 1. Phase. Die zweite Phase dann nochmal 18 Mrd SFR . Alles dies ist unnütz , Ihrer Meinung nach ?
Dieses Projekt wird von 23 Staaten getragen u.a . auch Deutschland ( 20 % ) .
Sind somit diese 23 Staaten alle auch der Meinung , daß solche Projekte nichts taugen , oder ist es wieder einmal nur die BRD , welche in den Augen so mancher Schweizer hier versagt ?
Nachdenken ist angesagt !!!!

VG Ole
Derk Mielig 31.07.22 15:00
@Sigrist
Die Baufirmen am BER, es war ja leider nicht nur eine, waren bei den ganzen Änderungswünschen der Bauherren, einer nur schwer erkennbaren Bauleitung und den miserablen Verträgen sicherlich die letzten, denen man die Schuld in die Schuhe schieben sollte.
Beat Sigrist 31.07.22 14:00
Diese Baustelle wird
wohl mit der gleichen Baufirma wie der Flughafen Berlin gebaut! Ein endloses Bauwerk welches Milliarden an Euros kostet und nachher nichts taugen wird. Irgendwie müssen ja die hohen Steuereinnahmen der Bürger wieder ausgegeben werden.