Marie Curie (1876-1934) wurde 1903 zusammen mit ihrem Ehemann Pierre und Ihrem Doktorvater Henri Bequerel mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Als erste Frau in Frankreich übernahm sie 1906 eine Professur an der Pariser Sorbonne. Für ihre Entdeckung des Radiums und das Poloniums wurde sie 1911 zum zweiten Mal mit dem Nobelpreis geehrt, diesmal für Chemie.

Der Name Ray Tomlinson ist kaum jemandem bekannt. Dennoch nutzen fast alle am Computer Arbeitenden seine Erfindungen: Die E-Mail und das charakteristische @-Zeichen. Als 1971 die erste E-Mail durchs Netz huschte war der schnelle elektronische Versand ein Privileg weniger Wissenschaftler. Erst mit der Entwicklung des "word wide web" durch den CERN-Forscher Tim Berners-Lee wurde die E-Mail für alle verfügbar.

Dem Sachsen Friedrich Gottlob Keller (1816-1895) gelang es 1843 einen Holzfaserbrei herzustellen. Zwei Jahre später gelang die Papierherstellung mit diesem neuen Rohstoff. Mangelnder Geschäftssinn Keller's führte dazu, dass das inzwischen patentierte "Keller-Papier" durch den Papierfabrikanten Heinrich Voelter 1851 weltweite Verbreitung fand.

Am 26. Oktober 1861 stellte Johann Phillip Reis der Öffentlichkeit das "Magnet-Telephon" vor. Die ersten fernmündlich übertragenen Worte des gelernten Pädagogen lauteten: "Das Pferd frisst keinen Gurkensalat".
1876 erhielt der gebürtige Schotte Alexander Graham Bell - wie später festgestellt wurde, widerrechtlich - das Patent auf das Telefon. Er gründete die "Bell Company" und führte das Telefon zur Marktreife.

Die Umwelt muss geschütz werden

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht Kohlendioxid, ein Treibhausgas, das die Sonnen- strahlung absorbiert.

FUSION: eine sicher und nachhaltige Energiequelle

Kernfussion eröffnet die Möglichkeit wesentlich zu einer emissionsfreien und zuverlässigen langfristigen Energieversorgung beizutragen.

• Fusionskraftwerke können sicher gebaut werden. Unfälle aufgrund unkontrollierter Kettenreaktionen oder Kernschmelzen sind ausgeschlossen.
• Fusionsbrennstoffe sind überall reichlich und für eine Energieerzeugung in grossem Maßstab vorhande.
• Der Routinebetrieb eines Fusionskraftwerks erfordert keine Transporte radioaktiver Materialien.
• Fusion erzeugt keine Treibhausgase.
• Bei einer entsprechenden Auswahl der Materialien wird durch Fusionsabfälle keine Belastung für künftige Generationen entstehen.

Wieso springt ein Gummiball in die Höhe, wenn man ihn auf die Erde wirft, während ein Glas zerbricht?
Wie kommt es, dass einige Metalle magnetisch sind, andere aber nicht?

Antworten auf solche scheinbar einfachen Fragen suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit.
Sie senden unterschiedliche «Kundschafter» ins Innere der Stoffe aus und entschlüsseln das, was diese aus-
kundschaftet haben.
Zwei Methoden, mit denen sich die Materie befragen lässt, sind:
Neutronenstrahlung und Synchrotronstrahlung, diese beiden Methoden treten auf verschiedenartige Weise mit den Bausteinen der stofflichen Welt - den Atomen - in Wechselwirkung. Über die beiden Messverfahren gewinnen die Forscher Informationen über die verborgenen Eigenarten der Substanzen.

Rohstoffe der Kernfusion
für den Jahresverbrauch einer Familie (Elektrizität)

        75 mg Deuterium
     225 mg Lithium

    Zu finden in:                            Energieinhalt:

                                                        2 Litern Wasser                        48 000 Millionen Joule
                                                        250 Gramm Gestein                entsprechend
                                                                                                          1.000 Litern Öl

Kernfusion - die Quelle der Sonnenenergie

Die Sonne gewinnt Energie durch Kernfusion, indem sie Wasserstoff zu Helium verwandelt. Bei einer solchen Reaktion wird etwa ein halbes Prozent der Wasserstoffmasse in Energie verwandelt, gemäss der bekannten Formel von Einstein E = mc², die Masse und Energie in Beziehung setzt. Diese Energie entschwindet als elektromagnetische Strahlung, also Licht, und geht beinahe völlig in den Tiefen des Weltraums verloren. Weniger als ein Teil aus einer Milliarde kommt davon auf unsere Erde an, sorgt aber immer noch für eine ausreichende Energieversorgung, die den Wasserkreislauf, Wind und Leben für Milliarden von Jahren aufrecht erhalten hat.

Eine nachhaltige Energiequelle

Fusion ist eine der wenigen nachhaltigen Energiequellen, die die Menschheit langfristig versorgen kann. Tatsächlich bietet die Fusion die Aussicht auf einen sicheren Betrieb und hohe Umwelt- verträglichkeit, sowie eine weithin verfügbare und sichere Brennsoffversorgung. Einmal entwickelt, wird die Fusion eine wichtige Rolle bei der Grundlast- versorgung spielen, zusammen mit anderen Energie erzeugungs- technologien, die ebenfalls die oben genannten Anforderungen erfüllen.

Keine schädlichen radioaktiven Emissionen

Die Ausgangsmaterialien des Fusionsbrennstoffs
- Deuterium und Luthium - sind nicht radioaktiv und können problemlos zum Kraftwerk transportier werden.

Die "Achse" des Fusionsvorgangs ist eine geringe Menge des Edelgases Helium, das ebenfalls nicht radioaktiv ist. Umfangreiche Sicherheitsstudien haben gezeigt, dass ein Fusionskraftwerk ohne das Risiko radioaktiver Emissionen arbeitet, die schädlich für Mensch und Umwelt sein Könnten. Die maximale Menge von Tritium, die bei allen erdenklichen internen Unfällen austreten könnte, ist so gering, dass das Gebiet ausserhalb der Umzäunung des Kraftwerks- geländes nicht evakuiert werde muss.

Quo vadis Kernfusion?

Europa und seine internationalen Partner erörtern nun den Bau einer grosstechnischen Versuchsanlage, des "Next Step", der als ITER bezeichnet wird. Dieser wird auf den Erfolgen der bahnbrechenden Experimenten am JET sowie in europäischen Anlagen mittlerer Grösse aufbauen.
Der ITER wird der nächste Schritt hin zur sicherer und nachhaltiger Fusionsenergie sein. Er soll eine Fusionsleistung von 500 MW für eine Dauer von
- zunächst - bis zu zehn Minuten erzeugen und für den stationären Betrieb geeignet sein. Damit soll er die wissenschaftliche und technische Machbarkeit der Fusion in einer Anlage mit Kraftwerksdimensionen demonstrieren.

Plasmabelastete Materialien unterliegen in Fusionsan- lagen hohen Belastungen durch die Wärmeabstrahlung aus dem Plasma und durch energiereiche Plasma- teilchen wie Elektronen, Ionen und Atome, die auf die Materialoberfläche treffen. Die Forschungsarbeiten im Bereich Materialforschung befassen sich daher mit der Entwicklung und Untersuchung von möglichst robusten Materialien für die plasmabelasteten Komponenten von Fusionsanlagen. 
Entsprechend werden im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) Modellkomposite synthetisiert, an denen die Phasenbildung an inneren Grenzflächen und die mikromechanischen Eigenschaften untersucht werden können.

Die Zukunft

Die Fusionsenergie könnte in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts zur emissionslosen Erzeugung von Grundlastsstrom in grosstechnischen Massstab beitragen. Die Fortschritte bei der Fusionsener- gieforschung rechtfertigen weiterhin intensive Anstrengungen zur Verwirklichung des lang-
fristigen Ziels eines Fusionskraftwerks."

        
Foto: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Die Ergebnisse des ITER werden die Grundlage für den Bau eines ersten Kraftwerks bilden, das signifikante Elektrizitätsmengen erzeugen und den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Fusionskraftwerks demonstrieren soll. Ab der Mitte des 21. Jahrhunderts könnte die Fusion einen wichtigen Beitrag zur Energieerzeugung weltweit werden.

Kernfusion auf unserer Erde

Wasserstoffatome verschmelzen in der Sonne und den Sternen unter dem extremen Druck der
Schwerkraft. Auf der Erde kann nicht derselbe Mechanismus angewandt werden. Um Fusionsreaktionen zu erhalten müssen sich die Menschen andere Methode überlegen. Im Prinzip ist Fusion mit vielen leichten Elementen möglich. Unter all diesen Reaktionen ist die Fusion von Deuterim (D) und Tritium (T), also die D-T-Fusion, am einfachsten durchzuführen und wurde daher für zukünftige Fusionkraftwerke ausgewählt: sie verwandelt die zwei Wasserstoffisotope zu Helium und Neutronen.

2 + 3 = 4 + 1 + Energie

Foto: FZ-Jülich

100 Millionen Grad Celsius

Um verschmelzen zu können müssen die Atomkerne mit genügend kinetischer Energie (d.h. Geschwindigkeit) versehen werden, damit sie bei der Kollision ihrer wechselseitige elektrostatische Abstossung überwinden können. Diese kinetische Energie wird durch Aufheizen des Brennstoffs auf sehr hohe Temperaturen erreicht. Für die Fusion von Deuterium und Tritium beträgt die benötigte Temperatur zwischen 100 und 150 Millionen Grad Celsius. Bei solchen Temperaturen ist der gasförmige Brennstoff vollständig ionisiert und bildet so ein "Plasma". Das Plasma darf nicht mit den Wänden des Vakuumgefässes in Kontakt kommen, da ein Teil der Wandoberfläche verdampfen würde. Das Plasma würde sich aufgrund der Verunreinigung sofort abkühlen und die Bedingungen für das Auftreten der Fusionsreaktion nicht mehr erfüllen.

Magnetische Gitterstäbe

Die frei beweglichen negativen Elektronen und positiven Kerne geben dem Plasma die Eigenschaft einer elektrischen Leiters. Wo sich Ladungsträger bewegen, also elektrische Ströme fliessen, entstehen nach einem Naturprinzip immer magnetische Felder. Umgekehrt verändern Magnetfelder auch den Stromfluss; sonst würde kein Transformator funktionieren. Strom erzeugt Magnetfelder, Magnetfelder verändern den Strom: Auf dieser doppelten Wechselwirkung beruht auch der magnetische Plasmaeinschluss.

In der Mitte der stromdurchflossenen Spulen bildet sich ein mehrschichtiges System (Torus) mit parallelen Magnetfeldlinien aus magneti- sche Gitterstäbe. Die Geometrie des Spulen-
kranzes und seiner Magnetfelder bringt es jedoch mit sich, dass die "Gitterstäbe" des Torus aussen weiter auseinanderliegen als innen. Um die Schlupflöcher für die Fusionspartikel zu schliessen, verdrillt man die Feldlinien in Form einer Spirale. Zwei unterschiedliche Prinzipien bieten sich herzu an.

Tokamak und Stellarator

Bei der ersten Variante, wird der vom Spulenkranz erzeugte toroiadale Magnetkäfig durch ein zweites Magnetfeld überlagert. Diese bezieht seine Kraft aus einem im Plasma fliessenden Ringstrom. Träger des Stroms sind die Elektronen des Plasmas, deren Bewegung, wie der Stromfluss in der Sekundärspule eines Transformators, durch elektrische Induktion angetrieben wird.

Anordnungen der Haupt-Magnetfeldspulen im Tokamak und im Stellator zum Einschluss von
Höchsttemperaturplasmen.
   
Quelle: Schnelle Teilchen im magnetischen Käfig
aus: Forschen in Jülich Nr. 2/99 Dezember 1999
Forschungszentrum Jülich

.Blick in das Plasma
Die hellen Spuren ist die Bahn eines Pellets aus ge-
frorenem Deuterim,  das gerade im Plasma verdampft
Bild: IPP

Auf den Monitoren im Kontrollraum erscheinen die von den Plasmadiagnostiken gewonnen MessdatenFoto: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Wass passiert, wenn es so richtig kracht? Experimentieren mit COSY ist fast wie Billard spielen. Denn: Im COSY schießen die Forscher mit beschleunigten Protonen (blaue Billard-kugel) auf ruhende Protonen – diese sind ent-weder „nackt" (rote Billardkugel im Bild links und Mitte) oder „verpackt" in einen Atomkern (mehrere Billardkugeln im Bild rechts). Manchmal werden dabei neue Teilchen erzeugt (Bild Mitte und rechts) – hier hört die Billard-Analogie dann auf. Doch auch ein anderer „Spielzug" ist wichtig (Bild links) – beim Billard wie beim COSY:

Der Physiker nennt diese Art der Reaktion „elastische Streuung" – elastisch des-halb, weil kein neues Teilchen entsteht, sondern die Kugeln „lediglich" in unterschiedlichen Mit dem COSY-Experiment EDDA haben Physiker aus Bonn und Hamburg die elastische Streuung untersucht, sowohl mit unpolarisierten als auch mit polarisierten Protonen:
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Blick in die Beschleunigerhalle des COSY. In der 184 m langen, ringförmigen Röhre prallen Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf ein Ziel. Die Produkte aus diesem Teilchen-Crash geben Aufschluss über die Kräfte, die im Innern des Atomkerns und zwischen Elementarteilchen herrschen.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Die Bildung neutraler Wasserstoffatome aus freien Protonen und freien Elektronen ist ein weiterer Meilenstein in der Geschichte des Universums.
Dies geschah etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall. Das Universum war zu diesem Zeitpunkt tausendfach kleiner und seine Temperatur tausendmal höher als heute. Vorher lag die Materie als ein Plasma, bestehend aus Protonen, einigen leichten Atomkernen und Elektronen, vor. Erst als die Temperatur unter etwa 3000 Kelvin gesunken war, konnten sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoff verbinden. Auf diese Weise entstanden die ersten riesigen Wasserstoffwolken im Uni- versum, die das Ausgangsmaterial für die Bildung von Sternen und die Elementsynthese bildeten.Übergang: Von Wasserstoffplasma in Wasserstoffgas.

Quelle: Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt

    

Übergang vom Quark-Gluon-Plsma (oben) zu freien Protonen und Neutronen (unten)

Quelle: Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt

Bildfolge: Ablauf einer Kern-Kern Kollision zur Erzeugung des Quark-Gluon-Plasmas

Die Vernichtungsschlacht Materie und Antimaterie zerstrahlen.

Bild (links): Entstehung von Teilchen und Antiteilchen aus energiereicher Strahlung (Photonen)

Bild (rechts): Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen in energiereiche Strahlung (Photonen).

An modernen Beschleunigeranlagen können wir die Bildung und Vernichtung von Materie- und Antimaterie- teilchen nachvollziehen. Bei diesen Experimenten haben die Wissenschaftler festgestellt, dass Teilchen und Antiteilchen fast immer paarweise entstehen und zer- strahlen. In einigen Fällen konnten sie jedoch die kleine Asymmetrie bei der Bildung und Vernichtung von Teil-
chen und Antiteilchen nachweisen.

Quelle: Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt

Ionenbeschleuniger – Werkzeuge für die Erforschung der Materie

Die GSI betreibt seit über 25 Jahren eine weltweit einmalige Anlage für die Beschleunigung von Ionen. Ionen sind Atome, denen ein Teil der Elektronenhülle abgestreift wurde. Infolgedessen sind Ionen elektrisch geladen und können durch elektrische Felder auf hohe Geschwin- digkeiten beschleunigt werden. An der GSI-Anlage stehen intensive Ionenstrahlen aller Elemente zur Verfügung, vom leichtesten, dem Wasserstoff bis zum schwersten in der Natur vorkommenden Element, dem Uran.

Das Standardmodell kennt zwei Teilchenfamilien, die Quarks und die Leptonen. Im Baukasten der Natur gibt es jeweils sechs Fächer für sechs verschiedene Sorten und genauso viele Fächer für die Antiteilchen (untere Baukasten-schubladen). Die Einordnung in drei Generationen (I, II, III) erfolgt nach der Masse der Teilchen. Quarks treten in drei verschiedenen Farben (rote, grüne, blaue Kugeln) und ihre Antiteilchen in den entspre- chenden Antifarben (cyan, magenta, gelb) auf. Die Austauschteilchen im Deckel des Bauka- stens sind der „Klebstoff" der Natur: Die Gluonen beispielsweise „kleben" Quarks aneinander, wobei die Hadronen entstehen. Die bekannte sichtbare Materie besteht lediglich aus den zwei leichtesten Quark-Sorten, dem „up" und dem „down", und aus den punktförmigen Elektronen – alles Teilchen der Generation I. Die schwereren Teilchen der Generationen II und III sind alle instabil und zerfallen in Gene-ration-I-Teilchen. Warum es diese schweren Teilchen gibt, warum es gerade drei Generationen sind und ob es möglicher- weise noch mehr Teilchen gibt oder ob Quarks und Leptonen vielleicht gar nicht elementar sind, das weiß bis heute niemand.

Standardmodell:
derzeit akzeptiertes Modell zur Beschreibung der elementaren Vorgänge in der Teilchen- physik, bestehend aus QCD und der elektroschwachen Theorie (Theorie der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung).
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Der Baukasten der Natur
Alle Materie besteht aus Atomen. In einem einfachen Atommodell kreisen punktförmige, negativ geladene Elektronen um einen kom-pakten Atomkern – ähnlich wie Planeten um die Sonne. Die Bausteine des Kerns heißen Nukleonen. Zu ihnen gehören die ungeladenen Neutronen und die positiv geladenen Protonen. Da ein Atom nach außen elektrisch neutral ist, muss es genauso viele Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern haben. Beim Sauerstoff sind es acht, beim Wasserstoff nur eins, beim Eisen 26 und beim Uran 92. Angenommen, ein Wasserstoffatom hätte einen Durchmesser von 200 Metern, dann wäre sein Kern gerade einmal so groß wie ein Stecknadelkopf, also etwa zwei Millimeter. Das bedeutet, dass mehr als 99,999 Prozent des Atoms – und damit der materiellen Welt – leer sind. Fast die gesamte Masse eines Atoms steckt im Kern: Aufge- blasen auf zwei Millimeter würde er mehrere Millionen Tonnen wiegen.

  Was kann die Kurzzeitlasertechnologie?    
Prof. Dr. Ferenc Krauz                                                                                             Laser erzeugen Attosekunden-Lichtpulse

Im Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching wird in zwei Forschungsprogrammen: der Attosekundenspektroskopie und der Erzeugung extrem kurzer Lichtpulse höchster Intensität.
Ein wichtiges Ziel ist die Herstelung immer kürzerer Laserpulse. 1999 wurde Achmed Zewail der Nobelpreis in Chemie für die Erfindung der Femtochemie verliehen; seitdem ist diese Forschungsrichtung auch in der Öffentlichkeit bekannt geworden.
Mit der Femtosekunden-Pulsen lässt sich der Ablauf chemischer Reaktionen zwischen verschiedenen Molekülen studieren. Heute ist die Forschung einen Schritt weiter: Im Jahr 2001 gelang es erstmals, Röntgenpulse mit einer Zeitdauer von 650 Attosekunden herzustellen, die kürzlich auf 250 Attosekunden weiter verkürzt wurden.  1 Femtosekunde = 10¹⁵ Sekunden = billiardstel Sekunde
                                         1 Attosekunde     = 10¹⁸ Sekunden = trillionstel Sekunde
                                         0,000 000 000 000 000 001
Eine Attosekunde ist der millionste Teil eins millionsten Teils einer millionstel Sekunde.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ferenc Krauz veröffentlichte im Okt. 2002 die ersten Momentaufnahmen der Elektronenhülle eines Atoms, aus dem ein Elektron zuvor durch einen Attosekunden-Röntgenpuls herauskatapultiert worden war. Krausz damals noch an der TU Wien, konnte erstmals "fotografieren", wie schnell das Loch in der Elektronenhülle wieder aufgefüllt wird. Mitte 2004 gelang es der Arbeitsgruppe, zu-
sammen mit Kollegen von der Universität Bielefeld erstmals - ebenfalls mithilfe der neuen Attosekundenmesstechnik - das elektrische Feld des Lichts sichtbar zu machen, das pro Sekunde eine Billiarde mal schwingt.

 

In den supraleitenden Linearbeschleunigern von TESLA bringen elektromagnetische Wechselfelder die Teilchen auf höchste Energie

Der Freie-Elektronen-Röntgenlaser im Aufbau. In dem so genannten Undulator, einer Anordnung mit vielen Magneten, entsteht das kurzwellige Laserlicht.
Quelle: DESY Hamburg

Femtosekunde
Eine Femtosekunde ist die wissenschaftliche Bezeichnung für eine billiardstel Sekunde, also
0,000 000 000 000 001 s. Wie extrem kurz dies ist, verdeutlicht folgender Vergleich: In einer Sekunde legt das Licht die Entfernung Erde-Mond zurück. In einer Femtosekunde dagegen kommt es gerade einmal 0,3 Mikrometer, d.h. drei zehntausendstel Millimeter weit - eine Strecke, die deutlich geringer ist als die Dicke eines menschlichen Haars.       Femtosekungen sind die Grössenordnung, in der Prozesse auf atomarer Ebene ablaufen, wenn zwei Moliküle miteinander reagieren. Ultraschnelle Laser fungieren als «Kameras», die Momentaufnahmen von chemischen Reaktionen mit Belichtungszeiten im Bereich von Femtosekunden machen. Das Prinzip: Ein erster Laserblitz löst eine photochemische Reaktion aus, ein zweiter blitzt sie unmittelbar darauf. Der zweite Blitz muss präzise einstelbar sein, um den "Schnappschuss" jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt auszulösen. Eine Serie solcher Momentaufnahmen mit verschiedenen Zeitabständen zwischen dem ersten und dem zweiten Blitz ergibt einen Film vom Reaktionsablauf. Ein Freie-Elektronen-Laser für Röntgenwellen- längen (X-Fel) können solche Filme aus dem Mikrokosmos mit bislang unerreichter Detailtreue und Zeiauflösung aufnehmen. Sie erzeugen extrem intensice Röntgenstrahlung und sind hervorragend fokussierbar.

   
Plasmaphysik: Mit einem Röntgenlaser können Plasmen erzeugt werden, die so heiß wie das Innere riesiger Sterne sein können.
Quelle: DESY, Hamburg

Gigantische Aparaturen, sind der: TESLA-Röntgenlaser (mit eigenem Beschleuniger) und der TESLA-Linearcollider.

mit ultraschnellen Lasern lassen sich chemische Reaktionen «filmen»

Film ab: Atom für Atom, den Ablauf chemischer Reaktionen zu verfolgen, per Röntgenblick zu sehen, was im Inneren von Autokatalysatoren oder lebenden Zellen vor sich geht; die neuen TESLA-Röntgenlaser machen es möglich. Als Freie-Elektronen-Laser erzeugen sie hochintensive ultrakurze Röntgenblitze mit den Eigenschaften von Laserlicht. Der ca. drei Km lange Elektronenbe- schleuniger soll gleich mehrere neuartige Röntgenlaser antreiben.   In der Femtochemie jonglieren die Forscher/Innen mit winzigen Bruchteilen von Sekunden, um den Ablauf chemischer Reaktionen zu verfolgen.

Ursprung der Materie
Mit einem Elektron-Positron-Linearcollider wie TESLA können Teilchenphysiker genau verfolgen, was am Anfang des Universums vor 15 Milliarden Jahren geschah. Die supraleitenden Beschleuni- gungsstrecken bringen Elektronen und Positronen auf Rekordenergien von jeweils 250 bis ca. 500 Milliarden Elektronenvolt. In der Mitte ihrer Rennstrecke prallen die Teilchen aufeinander - mit einer Energie so konzentriert wie in der ersten billionstel Sekunde nach dem Urknall. Teilchen und Antiteilchen vernichten sich zu einem winzigen "Feuerball" konzentrierter Energie. Daraus entstehen spontan verschiedenste Elementarteilchen - auch heiß gesuchte, so die Hoffnung der Physiker, wie das "Higgs"- oder die "SUSY"-Teilchen.

Gesucht: Higgs
Das Higgs-Teilchen verleiht der Welt Gewicht.
Es gibt einen gewichtigen Grund, nach den bislang unentdeckten Higgs-Teilchen zu fahnden: Ohne Higgs wären wir masselos. Nach unserer heutigen Vorstellung verleiht ein von dem Physiker Peter Higgs erdachtes Prinzip den ursprünglich masselosen Teilchen ihr Gewicht. Demnach ist das gesamte Universum von einem Higgs-Feld durchdrungen und je stärker ein Teilchen mit diesem Feld wechselwirkt, desto größer ist seine Masse. Gibt es das Higgs-Feld, sollte es sich durch mit ihm verbundene Higgs-Teilchen verraten.

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen läuft - bislang ohne Erfolg. Seine Masse muss sehr groß sein, mehr als 100 Milliarden Elektronenvolt. Sonst wäre das Teilchen an bestehenden Beschleunigern bereits entdeckt worden. Andererseits zeigen heutige Ergebnisse und theoretische Überlegungen, dass die Higgs-Masse unter 300 Milliarden Elektronenvolt liegen muss. Damit ist das Higgs-Teilchen möglicherweise in Reichweite des Tevatron-Beschleunigers beim Fermilab nahe Chicago - sicherlich aber des im Bau befindlichen Large Hadron Colliders LHC beim CERN in Genf.

  

Computersimulation des Zerfall eines Higgs-Teil-
chens an einem Elektron-Position-Linecollider am LHC-Beschleuniger bei Cern

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens wäre eine Sensation, doch um den Mechanismus, der die Masse macht, wirklich aufzuklären, müssen die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genau untersucht werden. Das ist die Stärke eines Elektron-Positron-Linearcolliders wie TESLA. Dank seiner hohen "Trefferrate", also der Anzahl mitein- ander kollidierender Teilchen, ist er eine wahre "Higgs-Fabrik" und erlaubt Präzisions- messungen, die uns ermöglichen, die Rolle der Higgs-Teilchen in der Natur genau zu verstehen - oder eine alternative Erklärung für die Teilchenmassen zu finden.
Quelle: DESY, Hamburg

Magnetentwicklung bei LHC: Der "String 2" genannte Aufbau
entspricht einer vollen LHC-Zelle, was das Vakuum, die Kältetechnik, die Schutzeinrichtungen und die Stromversor- gung betrifft. Ebenfalls gezeigt ist der Querschnitt durch einen LHC-Dipolmagneten.
Quelle: DESY, Hamburg

Der LHC-Beschleuniger kann mit Protonen und Schwerionen betrieben werden, die zur Beschleunigung in zwei getrennten Vakuumröhren geführt und bei Erreichen der Endenergie im Zentrum der Detektoren zur Kollision gebracht werden. Zu den wichtigsten Komponenten des Beschleunigers gehören die supraleitenden Magnete, welche die Teilchen auf ihrer Bahn halten. Eine technische Herausforderung ersten Ranges ist die einwandfreie Produktion von ca. 1300 solcher Dipolmagnete mit Feldstärken, wie sie noch nie zuvor in einem Beschleuniger erreicht wurden (9 Tesla). Die jeweils 15 Meter langen Dipolmagnete wurden speziell für LHC bei CERN entwickelt. Sie sind so konzipiert, dass sie beide Vakuumröhren beinhalten und in einem einzigen Kryostaten Platz finden. Die Dipol- und Quadrupolmagnete, die zur Fokussierung der Teilchenstrahlen notwendig sind, werden bei einer Temperatur von 1,9 Kelvin betrieben, der Rest des Beschleunigers bei 4,5 Kelvin. Auch die acht Beschleunigungsstrukturen, die für jeden Protonenstrahl ein Beschleunigungsfeld von 5 Megavolt pro Meter (MV/m) erzeugen, werden supraleitend gebaut. Die Supraleitungstechnologie findet somit im LHC eine Anwendung von bisher noch nie dagewesenem Maßstab.

Während in den herkömmlichen Kernkraftwerken Atomkerne gespalten werden, werden bei der Kernfusion je zwei Kerne miteinanderverschmolzen. Die auf den ersten Blick zueinander gegensätzlichen Prozesse arbeiten nach dem gleichen physikalischen Grundprinzip: Gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc ² verwandeln sie Masse in Energie. Bringt man mehrere Kernteilchen zusammen,beispielsweise zwei Protonen und zwei Neutronen, dann hat das Endprodukt – in dem Fall ein Heliumkern – weniger Masse als die Summe der vier Einzelteilchen. Der Grund ist die Bindungsenergie, die freigesetzt wird, wenn die Teilchen sich verbinden. Eisenatome haben pro Kernteilchen die größte Bindungsenergie. Bei Atomen, die im Periodensystem der Elemente eine niedrigere Protonenzahl haben als Eisen, kann man Energie durch Kernfusion gewinnen, bei Atomen mit mehr Protonen durch Kernspaltung. 

Quelle: Forschungszentrum Jülich