Achtung, Lichtblitz!

Teilchenbeschleuniger bringen Elektronen in Fahrt

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Foto: Teilchenbeschleuniger bringen Elektronen in Fahrt.

Hamburg - Lichtblitze und Röntgenlaser – was sich anhört, als käme es direkt aus der Welt von Comic-Helden wie Superman, Spider-Man und den X-Men, ist in Hamburg das Werkzeug echter Physiker. In Teilchenbeschleunigern bringen sie Elektronen in Fahrt – im Auftrag der Wissenschaft.

Ein Licht auf einem der vielen Computerbildschirme leuchtet in warnendem Rot: „Petra“ läuft nicht rund. Nicht nur die Operateure im Kontrollraum werden unruhig - auch die Forscher an den Messstationen. Denn „Petra“ ist ein Teilchenbeschleuniger, den die Wissenschaftler für ihre Experimente brauchen. Für ihre Vorhaben im Forschungszentrum Desy in Hamburg stehen ihnen nur wenige Tage zur Verfügung. Fällt der Beschleuniger längere Zeit aus, kann ein Experiment zu Ende sein, ehe es richtig begonnen hat.

Desy ist die Abkürzung für Deutsches Elektronen-Synchrotron. Das Forschungszentrum hat seinen Sitz in Hamburg, mitten im beschaulichen Stadtteil Bahrenfelds. Hinter dem weißen Eingangshäuschen entpuppt sich Desy aber als Stadt in der Stadt: Auf rund 50 Hektar arbeiten hier 1900 Menschen, hinzu kommen jährlich etwa 3000 Gastforscher aus aller Herren Länder. Hamburger Nobel-Meilen sehen anders aus. Das Forschungsgelände verströmt herben Baracken-Charme, grauweiße Pavillons reihen sich aneinander, neben Hallen mit Wellblech-Fassaden.

Doch hinter diesem farblosen Äußeren steckt sehr moderne Technologie: die Desy-Teilchenbeschleuniger. Neben „Petra“ gibt es hier auch noch den Beschleuniger „Flash“ - und Forscher aus der ganzen Welt streiten sich darum, mit ihren Endprodukten arbeiten zu dürfen: Röntgenstrahlen, um ein Milliardenfaches intensiver als das Licht, das wir vom Röntgen-Arzt kennen.

Damit dieses intensive Licht entsteht, müssen Siegfried Schreiber und seine Kollegen Elektronen auf die Reise durch Hunderte Meter lange Röhren schicken. Schreiber sitzt im Kontrollraum, als bei „Petra“ die Warnleuchten angehen. Er bleibt ruhig. Denn „Petra“ ist nicht sein Beschleuniger. Wäre „Flash“ betroffen, würde der Physiker sicher nicht lässig auf einem der Tische sitzenbleiben.

Schreiber ist Maschinen-Koordinator. Und „Flash“ läuft problemlos, das erkennt er sofort an den vielen gelben, grünen und blauen Kurven auf den Bildschirmen. So kann sich der 53-Jährige auf die Wünsche der Forscher an seinem Beschleuniger konzentrieren: Sie sagen ihm, wie intensiv sie den Röntgenlaser zu bestimmten Zeitpunkten brauchen.

Dafür muss Schreiber die Komponenten in „Flash“ ganz genau abstimmen. Am Anfang des Beschleunigers steht die Elektronenquelle. Ein Laserstrahl schießt hier auf ein mit vielen Elektronen geladenes Material. Die Elektronen, kleine negativ geladenen Teilchen eines Atoms, werden durch den Strahl aus dem Material gelöst. Von dort kann Schreiber sie in den Beschleuniger jagen. Ein leicht spöttisches Lächeln umspielt seine Mundwinkel, wenn er die komplizierte Technik einem Laien erklärt.

Die erste Station für die Elektronen sind die sogenannten Resonatoren - Rohre, in denen die Operateure aus dem Kontrollraum den Elementarteilchen Beine machen. Denn auf den Rohrwänden fließt Strom. Dadurch wird im Innern eine elektrische Welle erzeugt.

Die Elektronen surfen auf der elektrischen Welle, „wie ein Wellenreiter im Meer“, erklärt Desy-Sprecher Thomas Zoufal. Der Physiker hat sich darauf spezialisiert, Normalsterblichen die schwer zu fassende Welt der Teilchenbeschleuniger näher zu bringen. Seinen Vergleich versteht der Besucher jedenfalls besser als die Fachsprache der Operateure.

Damit die Elektronen wie der Surfer den richtigen Zeitpunkt der Welle erwischen, müssen Elektronen und elektrische Welle mit perfektem Timing in den Resonatoren aufeinandertreffen. Dann kommen die Elektronen in Fahrt: Fast auf Lichtgeschwindigkeit können die Resonatoren sie beschleunigen. So rasen die Elektronen auf der Stromwelle dahin - bis sie in den Undulator kommen.

Im Undulator klemmt eine kleine ovale Röhre zwischen zahlreichen Magneten. Immer abwechselnd ist einmal der Nordpol oben und der Südpol unten, dann der Nordpol unten, der Südpol oben. Diese Magnetfelder beeinflussen die Bahn der hineinschießenden Elektronen. Sie werden mal hierhin, mal dorthin gezogen, geraten ins Schlingern. Durch das Schlingern bremsen sie ab - und geben so Energie frei: in Form von Röntgenlicht. Das schießt nun aus den Undulatoren zu den Forschungsstationen in der Experimentierhalle. Die Elektronen werden hinter dem Undulator von einem großen Magneten abgelenkt: Sie haben ausgedient und kommen in die wissenschaftliche Mülltonne. Die Forscher brauchen nur das Licht.

In der Experimentierhalle von „Flash“ hält Rolf Treusch alle Fäden in der Hand. Der Physiker ist die Schnittstelle zwischen den Operateuren im Kontrollraum und den Forschergruppen in der Halle. „Man muss sich in die Forschung der Kollegen aus aller Welt reindenken, um ihnen die passenden Blitze anzubieten“, erläutert der 47-Jährige mit den pechschwarzen Haaren. Blitze, das sind die Mengen an Photonen - Lichtteilchen - die in Femtosekundenlänge aus dem Beschleuniger rasen. Eine Femtosekunde, das sind 0,000000000000001 Sekunden - vorstellen unmöglich. Bald wird es im neuen Teilchenbeschleuniger European XFEL, der auch in Hamburg steht, noch intensivere Blitze geben. Er funktioniert wie „Flash“, nur ist er um ein Vielfaches größer.

Während die Photonen aus „Flash“ schießen, schaut Treusch bei Tim Laarmann nach dem Rechten - und trifft auf einen glücklichen Forscher. Ein bisschen übernächtigt ist Laarmann, weil er bis 7.00 Uhr morgens in dieser Halle stand. Aber die jungenhafte Freude im Gesicht des 42-jährigen Hamburgers überwiegt. Er hat die ganze Nacht lang Röntgenblitze auf Vitamin B12 geschossen. Laarmann möchte wissen, wie B12 katalytische Prozesse im menschlichen Körper unterstützt. Wie sieht das Vitamin aus, wenn es sich durch den biochemischen Prozess verändert? „Man weiß nicht, wie diese Katalyse funktioniert, an der B12 beteiligt ist. Und das kann ich nicht ertragen“, sagt der Physiker, und Dringlichkeit liegt in seiner Stimme.

Genau bei diesen Prozessen liegt die Stärke von „Flash“. Die Blitze sind so kurz und schnell, dass sie sogar eine chemische Reaktion ablichten können. Die Bilder machen aus dem Prozess eine Art Daumenkino. Mit dem schnellsten Film der Welt hat es „Flash“ sogar ins Guinness-Buch der Rekorde geschafft.

Im älteren Beschleuniger „Petra“, der Elektronen nicht geradeaus, sondern im Kreis rasen lässt, war all das noch nicht möglich. Jetzt aber kann Laarmann Bilder von dem reagierenden B12 machen. Nach kurzer Zeit mit seiner Familie am Nachmittag hetzt der Forscher zurück zum Desy, die nächste Nachtschicht wartet. „Beim Messen ist jede Stunde kostbar“, sagt Laarmann mit Blick auf die Uhr.

Wer mit den Superblitzen vom „Flash“ forschen will, muss sich Monate zuvor bewerben. Viermal mehr Wissenschaftler bitten um Messzeit, als bedient werden können. Ein Forscher-Gremium entscheidet, ob das Experiment die Röntgenblitze aus „Flash“ verdient. Wer wie Laarmann zu den Auserwählten zählt, bekommt meist nur wenige Tage zugesprochen. Zeit zum Aufräumen fürs nächste Team bleibt oft nicht. Staubmäuse kommen aus den Hallenecken, unter den silbernen Maschinen liegt ein Kabelsalat.

Ein paar Mal im Jahr muss Physiker Treusch deshalb zur Ordnung in seiner Halle aufrufen: Statt einer Putzkolonne heuert er aber lieber die Wissenschaftler von Desy an. Eine normale Putzkraft könnte etwas aus Treuschs Heiligtum kaputtmachen.

Bei den Kollegen von „Petra“ leuchtet das Warnlicht inzwischen nicht mehr. Starker Regen hatte die Kühlpumpen des Teilchenbeschleunigers außer Gefecht gesetzt. Nun läuft auch hier alles wieder rund.

dpa

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