Deutsches Elektronen-Synchrotron

Lage in Hamburg-Bahrenfeld

Monochromator für Synchrotronstrahlung (Vordergrund) und Blasenkammer des Teilchenbeschleunigers DESY

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in der Helmholtz-Gemeinschaft ist ein Forschungszentrum für naturwissenschaftliche Grundlagenforschung mit Sitz in Hamburg und Zeuthen.

DESY hat vier Forschungsschwerpunkte:

• Entwicklung, Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern
• Teilchenphysik
• Astroteilchenphysik
• Forschung mit Photonen.

Das Forschungszentrum DESY ist eine Stiftung bürgerlichen Rechts und wird aus öffentlichen Mitteln finanziert. Gegründet wurde die Stiftung „Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY“ am 18. Dezember 1959 in Hamburg durch einen Staatsvertrag, den Siegfried Balke – der damalige Bundesminister für Atomkernenergie und Wasserwirtschaft – und der Hamburger Bürgermeister Max Brauer unterzeichneten. Die Stiftung DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

Aufgaben

Die Aufgabe von DESY ist die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung. Dabei setzt das Forschungszentrum auf drei Schwerpunkte am Standort Hamburg:

• Entwicklung, Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern;
• Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften von Materie und Kräften im Rahmen der Teilchenphysik bzw. Hochenergiephysik;
• Forschung mit Photonen, d. h. Synchrotronstrahlung und Freie-Elektronen-Laser in (u. a.) Physik, Chemie, Biologie, Geologie und Medizin.

Am Standort Zeuthen gibt es einen weiteren Forschungsschwerpunkt:

• Astroteilchenphysik durch Anwendung der Methoden der Teilchenphysik im Rahmen der Astrophysik.

DESY stellt der Wissenschaft Beschleunigeranlagen zur Verfügung, die national und international von verschiedenen Instituten und Universitäten genutzt werden.

FLASH: Elektronenpakete werden im Bunch-Kompressor verdichtet

Standorte

DESY verfügt über zwei Standorte. Der größere Standort liegt in Hamburg-Bahrenfeld in der Nähe des Altonaer Volksparks. Am 1. Januar 1992 wurde DESY um einen zweiten Standort in Zeuthen (bis 1991 Institut für Hochenergiephysik), südöstlich von Berlin, erweitert.

Etat und Finanzierung

Das Forschungszentrum hatte 2015 einen Jahresetat von etwa 230 Mio. €. Davon entfielen ca. 211 Mio. € auf den Standort Hamburg, die übrigen ca. 19 Mio. € auf den Standort Zeuthen. Bis 2018 wurde das DESY dann sogar die Stiftung öffentlichen Rechts mit den höchsten Gesamtausgaben ganz Deutschlands (384,3 Millionen Euro).^[1] Die Finanzierung übernimmt zu 90 % das Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 % die Stadt Hamburg bzw. das Land Brandenburg.^[2]

FLASH: Übergang vom ersten Tunnelabschnitt (rechteckig) in den zweiten Tunnelabschnitt (rund)

Mitarbeiter und Ausbildung

Insgesamt beschäftigt DESY ungefähr 2700 Mitarbeiter. Etwa 2400 Mitarbeiter sind am Hamburger Standort angestellt und etwa 300 am Standort Zeuthen. In diese Zahlen eingerechnet sind über 100 Auszubildende in gewerblich-technischen und kaufmännischen Berufen sowie über 100 Diplomanden, mehr als 350 Doktoranden und ca. 300 Nachwuchswissenschaftler, die von DESY betreut werden.

Internationale Zusammenarbeit

Über 3000 Wissenschaftler aus über 45 Nationen nutzen die DESY-Anlagen.

Der Teilchenbeschleuniger HERA war das erste international finanzierte Großprojekt in der Teilchenforschung. Zuvor war der Bau von Beschleunigern stets zu 100 % vom jeweiligen Standortstaat finanziert worden, und die durchführenden nationalen und ausländischen Institute beteiligten sich lediglich an den von ihnen genutzten Experimenten. Der Wunsch nach der Beschleunigeranlage HERA war jedoch so groß, dass sich internationale Einrichtungen bereiterklärten, auch zum Bau des Teilchenbeschleunigers beizutragen. Insgesamt beteiligten sich zwölf Länder mit mehr als 45 Instituten am Bau der Anlage (ca. 22 % der HERA-Baukosten von ca. 700 Mio. € wurden von ausländischen Einrichtungen übernommen).

Nach dem Vorbild von HERA wurden in den folgenden Jahren viele wissenschaftliche Großprojekte gemeinschaftlich durch mehrere Staaten getragen. Inzwischen hat sich das Modell etabliert, und die internationale Kooperation schon beim Bau der Anlagen ist weit verbreitet.

Teilchenbeschleuniger und Anlagen

Die Beschleuniger von DESY entstanden nacheinander mit der Forderung der Teilchenphysiker nach immer höheren Teilchenenergien zur verbesserten Untersuchung der Teilchenstrukturen. Durch die Errichtung neuerer Beschleuniger wurden die älteren Beschleuniger zu Vorbeschleunigern und zu Quellen für Synchrotronstrahlung umgebaut.

Die Entwicklung der verschiedenen Anlagen wird im Folgenden chronologisch behandelt:

FLASH bis 2014: Weiche zwischen zwei möglichen Elektronenflugbahnen; unten fliegen die Elektronen später durch Undulatoren, oben umgehen sie die empfindlichen Undulatoren. Im Rahmen des Projektes FLASH II wurde diese Weiche durch eine Weiche zwischen FLASH1 und FLASH2 ersetzt.

DESY

Der Bau des ersten Teilchenbeschleunigers DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, ein Apronym zum weiblichen Vornamen Daisy), der dem Forschungszentrum seinen Namen gab, begann im Jahr 1960. Der Ringbeschleuniger war zu dieser Zeit die weltweit größte Anlage ihrer Art und konnte Elektronen auf 7,4 GeV beschleunigen. Am 1. Januar 1964 wurden erstmals Elektronen im Synchrotron beschleunigt und die Forschungsarbeit an Elementarteilchen aufgenommen. Zwischen 1965 und 1976 diente die Anlage der Teilchenphysik-Forschung.

Internationale Aufmerksamkeit erregte DESY zum ersten Mal 1966 mit seinem Beitrag zur Prüfung der Quantenelektrodynamik. Die Ergebnisse bestätigten diese Theorie. Im folgenden Jahrzehnt etablierte sich DESY als Kompetenzzentrum für Entwicklung und Betrieb von Teilchenbeschleunigeranlagen.

Die Forschung mit Photonen begann am Forschungszentrum 1964, indem die beim Beschleunigen von Elektronen im DESY-Beschleuniger als Nebeneffekt auftretende Synchrotronstrahlung für Messungen genutzt wurde.

Das Elektronen-Synchrotron DESY II und das Protonen-Synchrotron DESY III wurden 1987 bzw. 1988 als Vorbeschleuniger für HERA in Betrieb genommen.

Heute wird DESY als Vorbeschleuniger für die Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III und als Teststrahl zur Detektorentwicklung eingesetzt.

FLASH: Sechs Undulatoren (gelb) zwingen die Elektronen auf Schlangenlinien; durch die Kurven erzeugen die Elektronen laserartige Röntgenstrahlung.

DORIS

DORIS (Doppel-Ring-Speicher), gebaut von 1969 bis 1974, war der zweite Ringbeschleuniger und der erste Speicherring des DESY. Der Umfang von DORIS beträgt knapp 300 Meter. Ursprünglich als Elektron-Positron-Speicherring entwickelt, konnten in DORIS erstmals Kollisionsexperimente zwischen Elektronen und ihren Antiteilchen bei Energien von 3,5 GeV pro Teilchenstrahl durchgeführt werden. 1978 wurde die Energie der Strahlen auf 5 GeV angehoben. DORIS wurde bis 1992 für Teilchenphysik-Forschung genutzt.

Durch die Beobachtung angeregter Charmonium-Zustände leistete DORIS 1975 einen wichtigen Beitrag für den Nachweis schwerer Quarks. 1987 wurde im ARGUS-Detektor (ursprünglich „A Russian-German-United States-Swedish Collaboration“) des DORIS-Speicherrings zum ersten Mal die Umwandlung eines B-Mesons in sein Antiteilchen, ein Anti-B-Meson, beobachtet. Daraus ließ sich schließen, dass sich das zweitschwerste Quark – das Bottom-Quark – unter bestimmten Bedingungen in ein anderes Quark umwandeln kann. Des Weiteren folgte aus der Beobachtung, dass das noch nicht gefundene sechste Quark – das Top-Quark – eine sehr große Masse haben musste. Das Top-Quark wurde schließlich 1995 am Fermilab in den USA erstmals nachgewiesen.

Mit der Gründung des Hamburger Synchrotronstrahlungslabors HASYLAB im Jahr 1980 wurde die ursprünglich von DORIS als Nebenprodukt erzeugte Synchrotronstrahlung auch für Forschung genutzt. Stand anfangs nur ein Drittel der Betriebszeit von DORIS für die Forschung mit Synchrotronstrahlung zur Verfügung, diente der Speicherring ab 1993 unter dem Namen DORIS III ausschließlich als Strahlungsquelle für HASYLAB und wurde bis 4,5 GeV betrieben. Um eine intensivere und besser steuerbare Synchrotronstrahlung zu erhalten, wurde DORIS ab 1984 mit Wigglern und Undulatoren bestückt. Über eine spezielle Magnetanordnung konnten nun die beschleunigten Elektronen auf einen Slalomkurs gebracht werden. Dadurch wurde die Intensität der ausgesandten Synchrotronstrahlung im Vergleich zu herkömmlichen Speicherringsystemen um mehrere Größenordnungen gesteigert. Über zwei Jahrzehnte gehörte DORIS zu den fünf stärksten Quellen der Welt und war zugleich die stärkste Röntgenquelle Europas. Am 22. Oktober 2012 wurde HASYLAB von DORIS III getrennt. Bis zum 2. Januar 2013 lief noch das Experiment OLYMPUS, bevor dann DORIS nach fast 40 Jahren Betriebszeit abgeschaltet wurde.

FLASH: Nahaufnahme der Undulatoren

PETRA

HERA: Blick in den Ringbeschleuniger. Vorn links in Alufolie eingewickelt: Einer der Hohlraumresonatoren aus Kupfer zur Beschleunigung der Protonen

PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage) wurde von 1975 bis 1978 erbaut. Der Beschleuniger war zum Zeitpunkt seiner Inbetriebnahme mit 2.304 Meter Länge der größte Speicherring seiner Art und ist noch heute nach HERA der zweitgrößte Ringbeschleuniger des DESY. PETRA diente ursprünglich der Erforschung der Elementarteilchen. Positronen und Elektronen konnten auf 19 GeV beschleunigt werden. Als einer der größten Erfolge gilt der Nachweis des Gluons, des Trägerteilchens der starken Kraft, an PETRA im Jahr 1979.

Die Forschung an PETRA führte zu einer intensiveren internationalen Nutzung der DESY-Anlagen. Wissenschaftler aus China, England, Frankreich, Israel, Japan, den Niederlanden, Norwegen und den USA beteiligten sich an den ersten Untersuchungen an PETRA.

Im Jahr 1990 wurde die Anlage unter dem Namen PETRA II als Vorbeschleuniger von Protonen und Elektronen/Positronen für den neuen Teilchenbeschleuniger HERA in Betrieb genommen. Elektronen oder Positronen wurden dabei bis auf 12 GeV beschleunigt, Protonen bis 40 GeV.

Im März 1995 wurde PETRA II mit einem Undulator bestückt, um Synchrotronstrahlung mit einem intensiven Röntgenlichtanteil zu erzeugen. Danach diente PETRA II auch HASYLAB als eine Quelle für hochenergetische Synchrotronstrahlung mit zwei Testmessplätzen.

PETRA III

Am 2. Juli 2007 endete die Nutzung von PETRA II als Vorbeschleuniger für HERA, weil HERA stillgelegt wurde. Danach begann der Umbau von PETRA II zu PETRA III, einer höchst brillanten Röntgenlichtquelle. Dazu wurden etwa 300 Meter von den 2,3 Kilometern des Ringes komplett neu gebaut und mit 14 Undulatoren bestückt. Am 16. November 2009 wurde PETRA III mit 14 neuen Messplätzen in Betrieb genommen.^[3] Um die Anzahl an Messplätzen zu erhöhen und damit die Strahlung dieser Lichtquelle mehr Nutzern zugänglich zu machen, wurden zusätzlich die Hallen Nord (Paul-Peter-Ewald-Halle) und Ost (Ada-Yonath-Halle) gebaut. Nach einjährigen Umbauarbeiten wurden die Forschungsarbeiten an PETRA III im April 2015 wieder aufgenommen.^[4]

HERA

HERA: Quadrupolmagnet im Ringbeschleuniger, Masse: 3500 kg

HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) ist mit einem Umfang von 6336 Metern der größte Ringbeschleuniger, den DESY errichtet hat. Der Bau der im Tunnel befindlichen Anlage begann 1984. Im November 1990 wurde der Beschleuniger in Betrieb genommen. Am 19. Oktober 1991 gelang die erste Proton-Elektron-Kollision. Somit konnten die ersten Experimente 1992 ihren Messbetrieb beginnen. HERA war bis Ende Juni 2007 in Betrieb.^[5]

Der HERA-Beschleuniger wurde in internationaler Zusammenarbeit gebaut (s. „HERA-Modell“). Zum Bau von HERA wurden neue Technologien entwickelt. HERA war der erste Teilchenbeschleuniger, bei dem supraleitende Magnete in großem Umfang eingebaut wurden.

Der Tunnel von HERA befindet sich 10 bis 25 Meter unter der Erdoberfläche und hat einen Innendurchmesser von 5,2 Meter. Für den Bau kam dieselbe Technik zur Anwendung, die sonst für den Bau von U-Bahn-Tunneln eingesetzt wird. In der Tunnelröhre verlaufen zwei ringförmige Teilchenbeschleuniger. Der eine beschleunigt Elektronen auf eine Energie von 27,5 GeV, der andere Protonen auf eine Energie von 920 GeV. Beide Teilchenstrahlen durchfliegen in entgegengesetzter Richtung annähernd mit Lichtgeschwindigkeit ihre Beschleunigerringe etwa 47.000 Mal in einer Sekunde.

An zwei Stellen des Rings konnten der Elektronen- und der Protonenstrahl zur Kollision gebracht werden. Dabei wurden Elektronen oder Positronen an den Bausteinen des Protons, den Quarks, gestreut. Die Produkte dieser Teilchenreaktionen, das gestreute Lepton und die aus der Fragmentation des Protons entstehenden Hadronen, wurden in großen Detektoren nachgewiesen. Zusätzlich gibt es im HERA-Ring zwei weitere Wechselwirkungszonen, bei denen die Teilchen mit ruhenden Targets kollidieren konnten. Alle vier Zonen sind in großen unterirdischen Hallen untergebracht, die jeweils ca. 1,5 km voneinander entfernt sind (s. Forschung an HERA).

FLASH

Der Freie-Elektronen-Laser FLASH (Freie-Elektronen-Laser in Hamburg) ist ein supraleitender Linearbeschleuniger mit Freie-Elektronen-Laser für Strahlung im weichen Röntgenbereich. FLASH arbeitet nach dem SASE-Prinzip (Self-amplified spontaneous emission) und basiert auf einer 1997 errichteten Testanlage für das TESLA-Projekt, die 2003 von ca. 100 Meter Länge auf ca. 260 Meter erweitert wurde. Seit 2005 können nationale und internationale Nutzer Messungen durchführen. Damit ist FLASH die weltweit erste dedizierte Nutzeranlage im weichen Röntgenbereich^[6]. Bis April 2006 hieß die Anlage zunächst VUV-FEL (Vakuum-Ultra-Violett-Freie-Elektronen-Laser). FLASH dient auch weiterhin als eine Testanlage für mögliche zukünftige supraleitende Linearbeschleuniger, insbesondere das europäische Röntgenlaserprojekt XFEL und den Internationalen Linearcollider ILC.

Neben FLASH wurde nach Abschluss des Projektes FLASH II im Jahre 2014 die Strahlführung FLASH2 eröffnet, die den gleichen Beschleuniger, aber eine neue Undulatorstrecke nutzt und zusätzliche Messplätze bietet.^[7]

Weitere Beschleuniger

Neben den großen Anlagen gibt es am DESY mehrere kleine Teilchenbeschleuniger, die großteils als Vorbeschleuniger für PETRA und HERA fungier(t)en. Dazu gehören die Linearbeschleuniger LINAC I (von 1964 bis 1991 für Elektronen), LINAC II (seit 1969 für Positronen) und LINAC III (seit 1988 als Vorbeschleuniger für Protonen für HERA).

Des Weiteren existiert am Standort Zeuthen seit 2001 der Photo-Injektor-Teststand Zeuthen (PITZ). Dabei handelt es sich um einen Linearbeschleuniger, an dem unter anderem die Elektronenquellen für FLASH und (seit 2015) den European XFEL studiert, optimiert und für den Einsatz im Benutzerbetrieb vorbereitet werden.

Forschung

HERA

HERA wurde genutzt, um den Aufbau von Protonen aus Quarks und Gluonen und die Eigenschaften schwerer Quarks zu untersuchen. HERA war die einzige Speicherringanlage weltweit, in der Protonen mit den viel leichteren Elektronen oder deren Antiteilchen, den Positronen, zur Kollision gebracht werden konnten (siehe auch Colliding-Beam-Experiment).

In den vier unterirdischen HERA-Hallen waren die Experimente H1, ZEUS, HERMES und HERA-B untergebracht, die jeweils von einer eigenen internationalen Arbeitsgruppe gebaut und betrieben wurden. Es werden weiterhin Daten der Experimente ausgewertet (Stand: 2015).

H1

H1 war ein Universaldetektor für die Kollision von Elektronen und Protonen und befand sich in der HERA-Halle „Nord“. Er war von 1992 bis 2007 in Betrieb, war 12 m × 10 m × 15 m groß und wog ca. 2.800 Tonnen.

Die Aufgaben von H1 waren die Entschlüsselung der inneren Strukturen des Protons, die Erforschung der starken Wechselwirkung sowie die Suche nach neuen Formen der Materie und nach in der Teilchenphysik unerwarteten Phänomenen.

H1 konnte zeigen, dass sich zwei fundamentale Naturkräfte, die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft, bei hohen Energien vereinigen. Bei niedrigen Energien ist die schwache Kraft erheblich schwächer als die elektromagnetische Kraft, weshalb sie im Alltag nicht bemerkbar ist. Bei den Kollisionsenergien der Teilchen in HERA werden beide Kräfte jedoch gleich stark. Dies half beim Nachweis, dass beide Kräfte einen gemeinsamen Ursprung haben, die elektroschwache Kraft, und war ein wesentlicher Schritt in Richtung einer Vereinheitlichung aller fundamentalen Kräfte.

Die Teilchenkollisionen, die in H1 gemessen wurden, lieferten Aufschluss über die Stärke der starken Kraft. Dabei konnte erstmals in einem einzigen Experiment über einen großen Energiebereich hinweg die Stärke der starken Kraft vermessen und die Änderung der Stärke belegt werden: Je dichter Quarks beieinander sind, desto geringer ist die starke Kraft zwischen ihnen. Je größer die Entfernung zwischen den Quarks, desto stärker wirkt die starke Kraft, die die Quarks zusammenhält.

Modell eines Beschleunigerabschnitts von FLASH im Quer- und Längsschnitt

ZEUS

ZEUS war ähnlich wie H1 ein Universaldetektor für die Kollision von Elektronen und Protonen und befand sich in der HERA-Halle „Süd“. Er war von 1992 bis 2007 im Betrieb, 12 m × 11 m × 20 m groß und wog ca. 3.600 Tonnen.

Die Aufgaben von ZEUS gleichen denen des H1-Detektors. ZEUS und H1 ergänzten und überprüften sich gegenseitig in ihren Untersuchungen. Alle genannten Forschungsergebnisse von H1 müssen im gleichen Maße ZEUS angerechnet werden. Durch die Messungen von ZEUS und H1 konnte das Verständnis vom Aufbau des Protons erweitert und verbessert werden. Die Teilchenkollisionen in HERA stellen zugleich einen Zustand nach, der kurze Zeit nach dem Urknall im Universum herrschte. Durch die Forschung am HERA-Beschleuniger konnte deshalb das Verständnis über die ersten Momente nach dem Urknall erweitert werden.

Mehrere Kavitäten für FLASH werden im Reinraum zusammengebaut

HERMES

HERMES war ein Experiment in der HERA-Halle „Ost“ und wurde 1995 bis 2007 betrieben. Der longitudinal polarisierte Elektronenstrahl von HERA wurde dabei für die Untersuchung der Spin-Struktur von Nukleonen genutzt. Dazu wurden die Elektronen mit einer Energie von 27,5 GeV an einem internen Gas-Target gestreut. Dieses Target und der Teilchendetektor wurden speziell im Hinblick auf spinpolarisierte Physik konstruiert. Der Detektor war 3,50 m × 8 m × 5 m groß und wog ca. 400 Tonnen.

HERMES untersuchte, wie der Gesamtspin eines Protons entsteht. Der Gesamtspin eines Protons lässt sich nur zu einem Drittel durch die Spins der drei Hauptbestandteile des Protons, der drei Valenzquarks, erklären. HERMES konnte zeigen, dass auch die Spins der Gluonen im Proton einen wesentlichen Teil zum Gesamtspin beitragen. Der Spin der Seequarks im Proton trägt hingegen nur einen geringen Teil zum Gesamtspin bei.

Aus anderer Perspektive: Mehrere Kavitäten werden im Reinraum zusammengebaut

HERA-B

HERA-B war ein Experiment in der HERA-Halle „West“ und sammelte zwischen 1999 und Februar 2003 Daten. Die Maße des Teilchendetektors betrugen 8 m × 20 m × 9 m, sein Gewicht ca. 1.000 Tonnen. Bei HERA-B kollidierte der Protonen-Strahl im Detektor mit festen Aluminiumdrähten und erzeugte so Teilchen, die aus schweren Quarks bestehen, darunter auch B-Mesonen.

B-Mesonen dienen u. a. zur Untersuchung der Symmetrie in der Physik. Mit B-Mesonen lässt sich die Frage untersuchen, warum das Universum heute fast nur aus Materie besteht, obwohl im Urknall sowohl Materie als auch Antimaterie in gleichen Mengen entstanden. Später konzentrierten sich die Physiker um HERA-B auf spezielle Fragen zur starken Kraft, z. B. wie Elementarteilchen aus schweren Quarks in Materie entstehen und wie diese Teilchen mit der Materie reagieren.

Inzwischen ist auch der Teilchendetektor HERA-B stillgelegt und dient nun teilweise auseinandergebaut als Ausstellungsstück für Besucher. Die Datenauswertung zur Physik der schweren Quarks läuft noch. HERA-B lieferte auch Erkenntnisse für den modernen Detektorbau und die Analyse großer Datenmengen in der Teilchenphysik.

Nahaufnahme von ARGUS; verschiedene Komponenten gruppieren sich zwiebelschalenartig um die innere Spurkammer

Segment des Teilchenbeschleunigers HERA; im Inneren befinden sich die supraleitenden Magnete, die die Protonen auf eine Kreisbahn zwingen

HASYLAB

Das Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB am DESY wurde 1980 eröffnet und dient der Forschung mit Strahlung aus den Beschleunigeranlagen. Zwei Arten von Strahlungsquellen werden von HASYLAB genutzt, Speicherringe, die im Betrieb Synchrotronstrahlung erzeugen, und lineare Freie-Elektronen-Laser, die laserartige Strahlung erzeugen. Dabei reicht das Forschungsspektrum von Experimenten in u. a. Physik, Chemie, Biologie, Biochemie, Molekularbiologie, Medizin, Geologie und Materialwissenschaft bis zu anwendungsnahen Untersuchungen und Industriekooperationen.

Die ersten Experimente mit Synchrotronstrahlung begannen 1964 am Ringbeschleuniger DESY, nachdem schon vorher Vorrichtungen zur Beobachtung des Elektronenstrahls im Beschleuniger mit Hilfe der Synchrotronstrahlung eingebaut worden waren. Die neue Strahlungsquelle lieferte fokussierte, intensive und kurze Strahlungsblitze über ein breites Spektrum, die von einer wachsenden Gruppe an Wissenschaftlern genutzt wurde. Später wurde auch die Synchrotronstrahlung von den Speicherringen DORIS (seit 1974) und PETRA (seit 1995) von den Wissenschaftlern genutzt.

Anfang der 1980er-Jahre hatte HASYLAB 15 Messplätze am Speicherring DORIS. Durch den Einbau von Wigglern und Undulatoren ab 1984 konnte die Strahlungsintensität an den Messplätzen gesteigert werden. Von 1993 bis zur Abtrennung Oktober 2012 wurde der Speicherring DORIS ausschließlich zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung betrieben und weitere Messplätze wurden eingerichtet.

Die Synchrotronstrahlung von PETRA wurde seit 1995 von HASYLAB genutzt, wenn PETRA nicht für HERA als Vorbeschleuniger gebraucht wurde. Seit 2009 dient PETRA III, nach einem zweijährigen Umbau, ausschließlich zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung. Damit steht eine der weltweit brillantesten Röntgenstrahlungsquellen für die Forschung zur Verfügung.

Seit 2004 ist auch der Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg als Strahlungsquelle in Betrieb. Forscher können die laserartige Röntgenstrahlung von FLASH an fünf Messplätzen für wissenschaftliche Experimente nutzen.

Beispiele für Anwendungen der Strahlung von HASYLAB sind:

• 1975 fanden am DESY erste Tests der Röntgenlithografie statt, später wurde das Verfahren zur Röntgen-Tiefenlithografie weiterentwickelt.
• 1984 wurde am HASYLAB das erste durch Synchrotronstrahlung gewonnene Mößbauer-Spektrum aufgenommen.
• 1985 konnte durch die Weiterentwicklung der Röntgentechnik die Detailstruktur des Schnupfenvirus aufgeklärt werden.
• 1986 gelang es erstmals, mit Synchrotronstrahlung einzelne Gitterschwingungen (Phononen) in Festkörpern anzuregen. Durch die unelastische Röntgenstreuung (IXS) konnten Untersuchungen der Eigenschaften von Materialien durchgeführt werden, die vorher nur an Kernreaktoren mit Neutronenstreuung (INS) möglich waren.
• Zeitweilig nutzte die Firma Osram die Anlagen von HASYLAB, um die Glühdrähte ihrer Lampen mittels Synchrotronstrahlung untersuchen zu lassen. Durch die neugewonnenen Erkenntnisse über den Glühvorgang konnte die Haltbarkeit von Lampen in bestimmten Anwendungsgebieten besser kontrolliert werden.
• Am HASYLAB werden kleinste Verunreinigungen im Silicium für Computerchips analysiert, die Wirkungsweise von Katalysatoren erforscht, die mikroskopischen Eigenschaften von Werkstoffen untersucht und Eiweißmoleküle mit dem Röntgenlicht der Synchrotronstrahlung durchleuchtet.

AMANDA und IceCube

DESY, insbesondere vertreten durch den Standort Zeuthen, ist an zwei Forschungsprojekten der Astroteilchenphysik beteiligt, dem Neutrinoteleskop Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) und dem darauf basierenden IceCube.

In internationaler Zusammenarbeit betreiben DESY-Wissenschaftler aus Zeuthen das Neutrinoteleskop AMANDA. Am Südpol gelegen registriert AMANDA Neutrinos, die im Eis ihre Spur hinterlassen. Da die Neutrinos nur selten mit anderen Teilchen reagieren, können sie durch die Erde hindurch fliegen. Neutrinos liefern daher Informationen aus Bereichen des Universums, die sonst für Astronomen unzugänglich wären, z. B. aus dem Inneren der Sonne oder von Sternenexplosionen.

Wissenschaftler aus Zeuthen waren an der Entwicklung des Neutrinoteleskops AMANDA beteiligt. Inzwischen wurde das Projekt AMANDA zum IceCube ausgebaut. In diesem Projekt ist DESY bei der Produktion der Detektormodule und der Datenauswertung beteiligt.

Theorie

Die Weiterentwicklung der Physik erfordert eine Zusammenarbeit zwischen der theoretischen Physik und der experimentellen Physik. Damit diese Zusammenarbeit bei DESY möglich ist, gibt es am DESY Wissenschaftler, die sich mit der theoretischen Physik hinter den Experimenten beschäftigen.

Besondere Schwerpunkte liegen in der Teilchenphysik und der Kosmologie. In Zeuthen betreibt DESY im „Zentrum für Paralleles Rechnen“ massiv-parallele Hochleistungsrechner, die u. a. für Berechnungen in der theoretischen Teilchenphysik genutzt werden.

Weitere Projekte mit DESY-Beteiligung

ILC

Das nächste große Projekt der Hochenergiephysik ist der International Linear Collider (ILC). ILC ist ein globales Projekt mit Beteiligung von DESY für einen 30 bis 40 Kilometer langen Linearbeschleuniger, in dem Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, bei Energien bis zu 1 TeV zusammenstoßen. Ziel des Projekts ist es, zentrale Fragen der Teilchen- und Astrophysik zur Natur von Materie, Energie, Raum und Zeit, u. a. zur Dunklen Materie, Dunklen Energie und Existenz von Extra-Dimensionen, zu untersuchen. Schon früh haben sich alle interessierten Forscher darauf geeinigt, dass es weltweit nur eine Anlage dieser Größenordnung geben sollte.

Im August 2004 hat das „International Technology Recommendation Panel ITRP“ die Empfehlung gegeben, den Linearbeschleuniger auf der Basis von supraleitender Beschleunigertechnologie zu bauen, die DESY und seine internationalen Partner als TESLA-Technologie gemeinsam entwickelt und in einer Pilotanlage in Hamburg erfolgreich getestet haben.

XFEL

2009 begann in europäischer und internationaler Zusammenarbeit der Bau des Röntgenlasers XFEL ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)), der in einem drei Kilometer langen Tunnel vom DESY-Gelände in Hamburg bis nach Schenefeld reicht. Teilchen werden im Tunnel beschleunigt und erzeugen am Ende Röntgenblitze von hoher Intensität und von kurzer Dauer (ca. 10–100 fs). Damit wird der XFEL zu einer der stärksten Quellen von Röntgenstrahlung auf der Erde, um viele Größenordnungen stärker als Röntgenstrahlung aus heutigen Speicherringen, und eröffnet der Forschung neue Möglichkeiten und Anwendungsbereiche, z. B. können chemische Reaktionen einzelner Atome dreidimensional abgebildet werden. 2017 erfolgte die Inbetriebnahme des XFEL.

CFEL

Am 17. Juni 2013 nahm das Center for Free-Electron Laser Science CFEL seine Arbeit auf.^[8] CFEL ist eine Kooperation von DESY und der Universität Hamburg mit der Max-Planck-Gesellschaft MPG.

TESLA-Technologie

TESLA ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)) ist ein Projektvorschlag aus dem Jahr 2000, wie ein Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation aussehen könnte. Dieser Linearbeschleuniger sollte in einem 33 Kilometer langen, relativ knapp unter der Erdoberfläche liegenden Tunnel von Hamburg in Richtung Nord-Nordwest gebaut werden. Die supraleitende TESLA-Technologie und weitere Erkenntnisse aus diesem Projekt fließen sowohl in das europäische Röntgenlaserprojekt XFEL als auch in den Internationalen Linearcollider (ILC) ein.

Vorsitzende des DESY-Direktoriums (DESY-Direktoren)

• 1959 bis 1970: Willibald Jentschke, Gründungsdirektor
• 1971 bis 1972: Wolfgang Paul
• 1973 bis 1980: Herwig Schopper
• 1981 bis 1993: Volker Soergel, deutscher Physiker, 1974 bis 1979 Vorsitzender des Rats des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY in der Helmholtz-Gemeinschaft, 1981 bis 1993 auch Koordinator für den Bau des Elektron-Proton Speicherring HERA
• 1993 bis 1999: Bjørn Wiik, norwegischer Physiker
• 1999 bis Anfang 2009: Albrecht Wagner
• seit 2. März 2009^[9]: Helmut Dosch, ehemalig am Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart

Historisch-soziologische Untersuchungen zum DESY

Die Schwerpunktverlagerung des DESY zur Photonenforschung (photon science) ist durch den Wuppertaler Organisationssoziologen Thomas Heinze und seine Kollegen Olof Hallonsten (Universität Lund) und Steffi Heinecke (Max-Planck-Gesellschaft) untersucht worden. In einer Folge von drei Aufsätzen wurde von dem Autorenteam der Wandel des DESY in den Jahren 1962–1977^[10], 1977–1993^[11] sowie 1993–2009^[12] historisch rekonstruiert. Heinze et al. verwenden bei ihrer Analyse dabei theoretische Kategorien des historischen Institutionalismus, insbesondere die Wandlungsprozesse des layering (Überlagerung), der conversion (Umwandlung) und des displacement (Verdrängung). Heinze und Hallonsten haben darüber hinaus in zwei weiteren Artikeln dargelegt, dass sich der Theorierahmen des historischen Institutionalismus auch zum Vergleich des DESY mit anderen Forschungsorganisationen eignet, insbesondere zum Vergleich mit dem US-amerikanischen SLAC National Accelerator Center in Menlo Park, Kalifornien^[13][14]. Die Transformation des DESY ist Teil eines Wandlungsprozesses, in dem ein neues Organisationsfeld "Photonenforschung" (photon science) entstanden ist.^[15]

Literatur

• Erich Lohrmann, Paul Söding: Von schnellen Teilchen und hellem Licht: 50 Jahre Deutsches-Elektronen-Synchrotron DESY, Wiley/VCH 2009
• Olof Hallonsten, Thomas Heinze: From particle physics to photon science: Multi-dimensional and multi-level renewal at DESY and SLAC. Science and Public Policy, Nr. 40. Oxford University Press, Oxford 2013, S. 591–603.

Weblinks

Commons: Deutsches Elektronen-Synchrotron – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• DESY-Website
• HASYLAB-Website
• Erich Lohrmann und Paul Söding: 50 Jahre DESY (PDF, 55 MB)
• www.weltderphysik.de:
  • Seite über HERA
  • Seite über XFEL
• DESY unterirdisch - Besuchsbericht mit Fotos und Tunnel-Panorama
• Helmholtz Podcast (MP3) Juni 07 – DESY ab Min 02:22 (Memento vom 28. September 2007 im Internet Archive)

Einzelnachweise

53.5758333333339.8794444444444Koordinaten: 53° 34′ 33″ N, 9° 52′ 46″ O