Spurensuche mit schwerem Geschütz - wissenschaft.de
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Spurensuche mit schwerem Geschütz

Milliarden von Euro werden in den nächsten Jahren in riesige neue Forschungsmaschinen investiert. Besonders eifrig beim Aufbau physikalischer Experimentieranlagen sind die Europäer.

Angeblich war ein vom Baum fallender Apfel das – unbeabsichtigte – Experiment. Er soll den englischen Forscher Isaac Newton um das Jahr 1700 auf die Idee gebracht haben, dass die Bewegung der Planeten um die Sonne ebenso auf der Schwerkraft beruht wie das Herabfallen der reifen Frucht. Die Theorie der Himmelsmechanik, die Newton aus dieser Idee heraus ersann, bestimmte 200 Jahre lang das Weltbild der Physiker – bis Albert Einstein sie durch die Allgemeine Relativitätstheorie ersetzte.

Ob die Geschichte vom Apfel stimmt, darüber sind sich die Gelehrten uneins. Verbrieft ist allerdings, dass der italienische Mediziner und Naturforscher Aloisi Luigi Galvani die Elektrochemie entdeckte, als er 1780 an toten Fröschen experimentierte. Galvani bemerkte, dass die Schenkel eines toten Frosches jedes Mal zusammenzuckten, wenn er sie mit zwei verschiedenen Metallen in Berührung brachte.

Wenn auch nicht immer der Zufall Pate stand, genügten in der Vergangenheit doch oft recht simple Versuche, um bedeutsame physikalische Effekte zu ergründen. So stieß Wilhelm Conrad Röntgen 1895 auf die später nach ihm benannten energiereichen Strahlen, indem er auf seinem Labortisch mit einer Kathodenstrahlröhre experimentierte – einem luftleeren Glasrohr mit einer Heizwendel und elektrisch geladenen Metallplättchen. Ein Jahr später entdeckte der französische Physiker Antoine Henri Becquerel bei dem Versuch, die noch rätselhaften Röntgenstrahlen durch Fluoreszenz von Uransalz zu erklären, die Radioaktivität.

Heute genügen keine einfachen Experimente mehr, um den großen Rätseln der Physik auf den Grund zu gehen. Dazu sind die Physiker inzwischen zu weit vorgedrungen: Die meisten der noch unbeantworteten Fragen betreffen entweder die elementaren Bausteine tief im Inneren der Materie oder die riesigen Strukturen in den Weiten des Kosmos (bild der wissenschaft 4/2005, „Die großen Rätsel der Physik“). Wo beginnt die Quantenwelt? Wie funktionieren Festkörper? Was ist Dunkle Materie? Gibt es eine Weltformel?

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Bei der Suche nach den Antworten brauchen die Wissenschaftler schweres Gerät: In Beschleunigeranlagen mit den Ausmaßen einer Kleinstadt jagen sie Elementarteilchen mit fast Lichtgeschwindigkeit umher, um sie schließlich frontal aufeinander prallen zu lassen. In den Überbleibseln solcher Crashs suchen die Physiker nach unbekannten Partikeln und nach der Wirkung von exotischen Kraftfeldern. Kraftwerksähnliche Maschinen, die intensive Synchrotronstrahlung, schnelle Neutronen oder helle Röntgenblitze generieren, erlauben es, die atomaren Komponenten von Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen präzise zu durchleuchten. Mithilfe riesiger Teleskope und durchs All rasender Spähersonden richten die Forscher ihren Blick auf die dramatischsten Ereignisse im heutigen Kosmos und in der Urzeit des Universums: explodierende Sterne, kollidierende Schwarze Löcher, die Geburt von Sternen und Planeten und nicht zuletzt den Nachhall des Urknalls. Durch die Analyse dieser Phänomene hoffen die Physiker, das Werden und Vergehen der Strukturen im Universum zu verstehen – und so auch etwas über die Zukunft unserer kosmischen Heimat zu erfahren.

Die Instrumente, die erforderlich sind, um immer tiefer in den Mikrokosmos hinein und immer weiter in den Kosmos hinaus zu schauen, sind nicht nur riesig in ihren Dimensionen – sie sind auch enorm teuer. Für einen neuen Teilchenbeschleuniger samt der dazu gehörenden Experimentieranlagen summieren sich Baukosten von mehreren Milliarden Euro. Mit ähnlich hohen Beträgen müssen die Forscher kalkulieren, wenn es darum geht, die Grundlagen für eine künftige neue Form der Energieversorgung zu legen – etwa der Kernfusion, bei der dieselben hochkomplexen physikalischen Vorgänge angestoßen und genutzt werden, die im Herzen der Sonne ablaufen. Ein einzelnes Land oder gar eine Forschungsinstitution kann die Summen, die solche Mega-Experimente verschlingen, nicht aufbringen und den Aufwand an Forschungsarbeit nicht stemmen.

Daher sind die Wissenschaftler zu einer engen Zusammenarbeit bei Planung, Bau und Nutzung von großen experimentellen Anlagen über Instituts- und Ländergrenzen hinweg gezwungen. „Man muss, um etwa bei einem Großexperiment der Teilchenphysik erfolgreich zu sein, auf das Know-how von Fachleuten aus der ganzen Welt zurückgreifen, also möglichst viele Experten zusammentrommeln“, sagt Rolf-Dieter Heuer, Professor für Experimentalphysik an der Universität Hamburg und seit 2004 Forschungsdirektor für Hochenergiephysik beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in der Hansestadt. Zuvor war Heuer Leiter eines Experiments am europäischen Teilchenforschungslabor CERN in Genf. Diese gewaltige Forschungseinrichtung, die zwischen Genfer See und Jura genau auf der schweizerisch-französischen Grenze liegt, ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie gut die internationale Kooperation der Wissenschaftler funktioniert.

Das CERN wurde 1954 – unter dem damaligen Namen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – von zwölf europäischen Ländern gegründet, darunter auch der Bundesrepublik Deutschland. Ziel der Organisation war es, ein international konkurrenzfähiges Forschungszentrum für Kern- und Teilchenphysik aufzubauen, das auch den nach dem Zweiten Weltkrieg auf diesem Gebiet führenden USA die Stirn bieten kann. Der „Brain Drain“ – die Abwanderung führender europäischer Physiker in die Vereinigten Staaten – sollte damit gestoppt werden. Das ist gelungen, wie die Zahlen belegen: Rund 3000 Mitarbeiter sind heute am CERN angestellt. Dazu kommen rund 6500 Gastwissenschaftler aus aller Welt, die die Einrichtungen in Genf nutzen. Die Zahl der CERN-Mitgliedsstaaten wuchs auf 20. Das europäische Forschungszentrum für Teilchenphysik hat sich zur größten Einrichtung dieser Art weltweit entwickelt.

Den Forschern in Genf gelangen viele bedeutende Entdeckungen. So schafften sie es Anfang der Siebzigerjahre, die Existenz von schwachen neutralen Strömen zu beweisen – ein Befund, der die Elektroschwache Theorie bestätigte. Diese Theorie besagt, das die Schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Kraft – zwei der vier bekannten grundlegenden Kräfte im Universum – nur unterschiedliche Facetten einer einzigen Wechselwirkung sind: der Ursprung für die bis heute andauernde Suche der Physiker nach einer Großen Vereinheitlichten Theorie oder Weltformel, die alle Naturkräfte beschreiben soll. Rund zehn Jahre später gaben Forscher am CERN die Entdeckung von W- und Z-Teilchen bekannt. Diese Partikel übertragen die elektroschwache Kraft, die Elektromagnetismus und Schwache Wechselwirkung in sich vereint. Ein weiteres Highlight war 1995 die erstmalige Herstellung eines Atoms von Antiwasserstoff. Damit können Physiker nun direkt an Antimaterie experimentieren, um Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen ihr und gewöhnlicher Materie zu untersuchen.

Die nächsten Ziele haben die Wissenschaftler in Genf bereits im Visier: Sie wollen das Higgs-Boson aufspüren – ein noch hypothetisches Teilchen, das für die Massen aller anderen Elementarteilchen verantwortlich sein soll. Schaffen wollen die CERN-Physiker den Nachweis dieses für die Theorie der Teilchenphysik sehr wichtigen Partikels mit einer neuen Riesenmaschine: dem Large Hadron Collider (LHC), der in etwa einem Jahr seine Messungen aufnehmen soll.

Der LHC ist allerdings nur eines von vielen Experimentiergeräten, die in den nächsten Jahren in Betrieb gehen sollen – und denen die Physiker schon heute entgegenfiebern. Viele dieser Anlagen werden in Deutschland oder anderen europäischen Ländern errichtet – ein deutliches Zeichen dafür, wie stark die physikalische Grundlagenforschung in Europa im internationalen Vergleich ist. So ist am Hamburger DESY die bisher stärkste Röntgenquelle der Welt geplant. 2007 soll der Bau der Anlage beginnen, die den Forschern neue Einblicke in die Welt der Atome, Moleküle und Nanopartikel erlauben wird. Sechs Jahre später soll der XFEL (X-Ray Free Electron Laser) einsatzbereit sein. Ein großer Ringbeschleuniger entsteht in Darmstadt. In dem Teilchenring werden Ionen, elektrisch geladene Atomkerne – auch sehr schwerer chemischer Elemente – auf Tempo und zur Kollision gebracht. Mit dem Forschungsgerät wollen die Physiker zum Beispiel die Entstehung von chemischen Elementen in explodierenden Sternen unter die Lupe nehmen.

In der Nähe von Hannover sind Wissenschaftler auf der Pirsch nach Gravitationswellen. Der Nachweis dieser geheimnisvollen Wellen, die etwa nach dem Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher durchs Universum rasen und dabei Raum und Zeit zum Zittern bringen, soll das Tor zu einer neuen Art der Astronomie aufstoßen: Mithilfe von Gravitationswellen könnten sich Objekte und Vorgänge im Kosmos verfolgen lassen, die bislang für die Forscher unsichtbar sind. Auch die Gravitationswellen-Jäger planen für die Zukunft: Eine neue Generation von irdischen Detektoren und ein mehrere Millionen Kilometer großes Messgerät im Weltall sollen ihnen die Suche nach Beben der Raumzeit erleichtern.

Die Liste der momentan vorangetriebenen großen Forschungsprojekte ließe sich problemlos verlängern – etwa um IceCube, einen Neutrinodetektor, der bis 2009 im ewigen Eis der Antarktis errichtet wird. Auf einer Fläche von einem Quadratkilometer verteilt und bis zu 2,5 Kilometer tief im Eisschild vergraben, sollen 5000 hochempfindliche Sensoren nach schnellen Neutrinos Ausschau halten. Diese nur schwer nachweisbaren Elementarteilchen werden, so hoffen die Forscher, neue Erkenntnisse über die Quellen der rätselhaften kosmischen Strahlung liefern.

Der Gewinn von neuen, grundlegenden Erkenntnissen steht im Vordergrund bei allen großen physikalischen Forschungsanlagen – oft mit Erfolg: Einige der ganz großen, vor wenigen Jahren noch offenen Fragen konnten die Physiker inzwischen beantworten. So haben sie das „Rätsel der fehlenden Sonnenneutrinos“ gelöst. Lange Zeit wussten die Forscher nicht, warum die bei Kernreaktionen im Zentrum der Sonne erzeugten und von dort ins Sonnensystem entweichenden Neutrinos in weit geringerer Zahl auf die Erde herabregnen, als es nach den etablierten Modellen der Sonne der Fall sein sollte. Des Rätsels Lösung: Die bis vor ein paar Jahren noch für masselos gehaltenen Neutrinos haben eine – wenn auch sehr geringe – Masse. Das ermöglicht es ihnen, sich auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde in andere Neutrinoarten zu verwandeln: Die Teilchen setzen sich eine „Tarnkappe“ auf. Entscheidenden Anteil an dieser Erkenntnis hatten Messreihen am Super-Kamiokande – einem gewaltigen Neutrinodetektor im japanischen Kamioka. 11 200 Photodetektoren fahnden dort in einem Tank mit 50 000 Tonnen Wasser nach Strahlungsblitzen, die von Neutrinos hervorgerufen werden.

Neben der Erweiterung des physikalischen Wissenshorizonts fallen immer wieder auch sehr praktische Innovationen bei den Experimenten ab – gelegentlich sogar solche, die die Welt radikal verändern. Ein Beispiel dafür liefert wiederum das CERN: Dort stand die Wiege des World Wide Web – der Oberfläche des Internet, über die heute Milliarden von Menschen weltweit kommunizieren und nach Informationen suchen. Sein Erfinder ist Tim Berners-Lee – ein ehemaliger Computerexperte am CERN, der die Technologie 1990 entwickelte. Ihr eigentlicher Zweck war es, den Datenaustausch zwischen den an einem Experiment beteiligten Forscherteams, die oft an verschiedenen Orten der Erde arbeiten, zu vereinfachen. Doch das World Wide Web wuchs rasch über die Forschergemeinde hinaus: Es entwickelte sich zu einem für alle Nutzer des Internet unverzichtbaren Hilfsmittel.

Weit weniger Anwender – aber dafür umso größere Vorteile für ihre Nutznießer – hat eine neuartige Tumortherapie, die unter anderem am GSI in Darmstadt entwickelt wurde. Ionenstrahlen, die die Physiker dort für Experimente mit schweren Atomkernen herstellen, können auch sehr effektiv und ohne Nebenwirkungen Krebstumore zerstören. Ab Ende 2006 soll die Tumortherapie mit schnellen Ionen an der Universitätsklinik Heidelberg den ersten Patienten helfen.

Autor der gesamten Titel-Geschichte: Ralf Butscher ■

Ohne Titel

• Die meisten großen Rätsel der Physik betreffen das Innere der Materie oder den Aufbau und die Entstehung des Universums.

• Um sie beantworten zu können, benötigen die Forscher sehr aufwendige und teure Experimente.

• Das zwingt die Physiker zu einer internationalen Kooperation.

• Neben neuem Grundlagenwissen gehen aus der Forschung an Großanlagen auch etliche praktische Innovationen hervor.

COMMUNITY Internet

Infos zum LHC vom CERN:

public.web.cern.ch/public/content/chapters/aboutcern/cernfuture/lhcexperiments/

lhcexperiments-de.html

und

public.web.cern.ch/public/content/chapters/askanexpert/lhc-en.html

Homepage von GEO600:

www.geo600.de

Infos zu LISA von der ESA:

sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=27

Infos zu LISA von der NASA:

lisa.jpl.nasa.gov/

Infos zum XFEL vom DESY:

www.xfel.net/de/

Website des ITER-Projekts:

www.iter.org

Infos zu ALMA von der ESO:

www.eso.org/projects/alma

Infos zum James Webb Space Telescope von der NASA:

www.jwst.nasa.gov/

Website der Deutschen Physikalischen Gesellschaft mit News, Hintergrund und einer Suchmaschine für Physikthemen:

www.pro-physik.de

Sehr gute Erklärungen zu physikalischen Fragestellungen und der aktuellen Forschung:

www.weltderphysik.de

Infos zu FAIR von der GSI:

www.gsi.de/fair/index.html

Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren:

www.helmholtz.de

Informationen des BMBF zu aktuellen Forschungsprojekten:

www.bmbf.de/de/98.php

Lesen

Die 7 Rätsel der Physik bild der wissenschaft 4/2005

CD-ROM

Prägnante Erklärung aller wichtigen Themen der modernen Physik:

Harald Lesch & Quot-Team Physik für die Westentasche 3 Audio-CDs AME hören, 2006 € 14,90

Titelgeschichte aus bdw 4/2005 zum Anhören: bild der wissenschaft Die 7 Rätsel der Physik Audio-CD

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