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FORSCHUNG/424: Elementarteilchenphysik mit Quarks (Freiburger Uni-Magazin)


Freiburger Uni-Magazin - 1/Februar 2007

Nahezu fünfzig Jahre Forschung an leichten Atomkernen
Heute: Elementarteilchenphysik mit Quarks

von Eva Opitz


Fast hätte es zu einem Jubiläumsfest zum 50-jährigen Bestehen gereicht. Aber eben nur fast. Am 4. Oktober vergangenen Jahres begann der Abbau des ersten und für einige Zeit größten elektrostatischen Teilchenbeschleunigers in Europa. Er wurde 1958 im Institut für Physik der Universität Freiburg in Betrieb genommen. Wenn im Laufe des Jahres das letzte Stück des Van-de-Graaff-Beschleunigers das Institutsgelände verlassen hat, geht ein bedeutsamer Teil physikalischer Forschung in Freiburg zu Ende. Doch an ihre Stelle ist moderne Elementarteilchenphysik getreten, die von Freiburg aus in weltweiten Kooperationen betrieben wird.


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Als 1957 die ersten Teile des Beschleunigers in einer 400 Quadratmeter großen unterirdischen Halle des physikalischen Instituts aufgebaut wurden, rief der erste Beschleuniger dieser Art in Europa ein großes Medienecho hervor. Als 60 Tonnen schwerer 5,5-Millionen-Volt- Protonenbeschleuniger eröffnete er der Universität ein neues Zeitalter der kernphysikalischen Forschung. Bis in die 70er Jahre betrieben die Wissenschaftler an dem Großgerät überwiegend Grundlagenforschung. "Es ging darum, die Reaktionen von leichten Kernen und Kernbausteinen mit ganzen Atomkernen zu untersuchen", sagt Professor Dr. Rüdiger Brenn. Die so genannte Niederenergie-Kernforschung fußt auf den Reaktionen von geladenen Ionen, gewonnen aus Wasserstoff oder Edelgasen, die durch den Beschleuniger geschickt werden. Die Ionenstrahlen werden durch Magnete abgelenkt und gewinnen durch elektrisch erzeugte große Spannungsunterschiede zwischen den Metallringen des Beschleunigers an Fahrt. Die so erzeugten und in Metallröhren gelenkten Ionenströrne treffen in der großen Halle auf die Materialien der unterschiedlichen Experimente. "Dazu brauchen wir eine hohe Spannung", sagt Dr. Ralf Delto, der als letzter Doktorand im September seine Promotion mit Experimenten an dem Beschleuniger beendet hat. "Im Oktober haben wir das letzte Spektrum gemessen." Für die Studierenden sei der Beschleuniger interessant gewesen, weil trotz der Größe der Anlage der einzelne Physiker das Experiment von Anfang bis Ende in der Hand habe.

Als parallel zur Niedrigenergie- die Hochenergie-Kernforschung in internationalen Zentren immer wichtiger wurde, trat die Materialforschung am Beschleuniger immer mehr in den Vordergrund. Reaktionen von Ionenstrahlen auf Materialien wie Polymeren, Halbleitern oder Diamanten verraten dem Wissenschaftler, wie die Materialien geschichtet sind und wie sich die Elemente verteilen. Selbst die Zähne von Bergarbeitern aus den mittelalterlichen Gruben in Sulzburg offenbarten den Archäologen unter den Ionenstrahlen, wie viel Blei aus dem Bergbaubetrieb sich im Körper der Arbeiter angesammelt hatte. "Es ist gut gelaufen", zieht Brenn das Fazit. "Bis auf die letzten Jahre liefen die Experimente rund um die Uhr." Generationen von Physikern seien am Beschleuniger ausgebildet worden. Jetzt entstehen in der großen Halle Laborbauten für die Nanophysik. Der 14 Meter hohe Betonturm neben dem Gustav-Mie-Haus wird das einzige Gebäude sein, das an den Beschleuniger erinnert.

Dass die physikalische Forschung heute zum Teil ganz andere Dimensionen aufweist, zeigen die Forschungen der modernen Elementarteilchenphysik am Institut. Als "Erben" der Kernphysik der 50er Jahre geht es immer noch um Kerne, ihre Teilchen und die Frage, wie Materie aufgebaut ist. "Um milliardenfach kleinere Strukturen als das Atom abzutasten, bedarf es jedoch wesentlich höherer Energien", sagt Professor Dr. Karl Jakobs, Elementarteilchenphysiker am Physikalischen Institut der Universität Freiburg. "Einzelne Universitäten können sich diesen Aufwand nicht mehr leisten." Bei der Analyse von so genannten Quarks und Leptonen sowie ihren Wechselwirkungen im milliardenfach kleineren Bereich als beim Atom haben sich die Wissenschaftler zu Forschungslaboratorien in internationalen Zentren wie dem DESY in Hamburg oder dem "Europäischen Labor für Elementarteilchenphysik CERN" in Genf zusammengeschlossen. "Alle Materie besteht aus Quarks, wie sie zum Beispiel in Protonen zu finden sind." Für die Freiburger Wissenschaftler war Genf die nächste Adresse. Eingebunden in die Forschungsinfrastruktur sind es Freiburger Gruppen um Jakobs und um Professor Dr. Gregor Herten, die auf die Eröffnung des größten Teilchenbeschleunigers der Welt, des "Large Hadron Collider (LHC)" in diesem Jahr in Genf hinarbeiten. Die supraleitende Anlage wird in einen 27 Kilometer langen Tunnel eingebaut, um die hohen Energien zu erreichen.


Der weltweit grösste Detektor, das ATLAS-Projekt

Im "ATLAS-Experiment" arbeiten die Freiburger Wissenschaftler mit am Bau des bislang größten Detektors der Elementarteilchenphysik. "Im LHC werden Proton-Proton-Kollisionen bei den höchsten Energien aufgezeichnet, die je in einem Beschleuniger erreicht wurden", sagt Jakobs. Eine nahezu unvorstellbare Menge von Wechselwirkungen zwischen den aufeinander prallenden Protonen wird zu ebenso unvorstellbar großen Datenmengen führen. Neben Antworten auf fundamentale Fragen, wie Materie aufgebaut ist und wie die Masse der Elementarteilchen entsteht, sind die Physiker beim CERN auf der Suche nach Teilchen, deren Existenz sie vermuten, aber bisher nicht nachweisen konnten. Größter Favorit ist das so genannte Higgs-Teilchen, benannt nach dem Physiker Peter Higgs. Sein Modell sagt aus, dass Teilchen ihre Masse durch Wechselwirkung mit einem bestimmten Feld, dem Higgs-Feld, bekommen. "Wenn es dieses Teilchen gibt, werden wir es am LHC finden", erklärt Jakobs. Mit seiner Arbeitsgruppe hat er seit Jahren die dazu notwendigen Experimente vorbereitet, einige davon im Forschungszentrum "Fermilab" in Chicago. Im Visier der Teilchenphysiker sind darüber hinaus "supersymmetrische Teilchen" in einer Spiegelwelt sich verdoppelnder Teilchen. "Mit dem neuen Beschleuniger am CERN wird ein Tor in einen neuen Energiebereich aufgestoßen, in den bislang noch kein Mensch hinein geschaut hat", sagt Jakobs. "2007/08 ist ein entscheidendes Jahr und ein wichtiger Meilenstein für die Teilchen- Physik."


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Quelle:
Freiburger Uni-Magazin Nr. 1/Februar 2007, Seite 12
Herausgeber: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,
der Rektor, Prof. Dr. Wolfgang Jäger
Redaktion: Eva Opitz (verantwortlich)
Kommunikation und Presse
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veröffentlicht im Schattenblick zum 2. März 2007