Atome auf Kollisionskurs - Das Geheimnis der Masse lüften

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.

Zahlen zum Teilchenbeschleuniger

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.»

Neue Entdeckungen

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.

Ab ins All

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.