Der HERA-Speicherring bei DESY war der einzige Beschleuniger weltweit, in dem zwei unterschiedliche Teilchensorten getrennt beschleunigt und zum Zusammenstoß gebracht wurden. In einem 6,3 Kilometer langen Tunnel tief im Hamburger Untergrund kollidierten die leichten Elektronen – bzw. ihre Antiteilchen, die Positronen – mit den fast 2000-mal schwereren Wasserstoffkerne, die Protonen aus der Familie der Hadronen. In solchen Elektron-Proton-Kollisionen wirkt das punktförmige Elektron wie eine winzige Sonde, die das Innere des Protons abtastet und sichtbar macht. Je höher die Energie beim Zusammenstoß der Teilchen ist, desto tiefer können die Physiker in das Proton hineinblicken, desto schärfer können sie seinen inneren Aufbau erkennen und die fundamentalen Naturkräfte erforschen.

Am HERA-Speicherring gab es insgesamt vier haushohe Detektoren, die von großen internationalen Forscherteams betrieben wurden. Die Experimente H1 und ZEUS gingen 1992 in Betrieb. Sie beobachteten die hochenergetischen Zusammenstöße von Elektronen und Protonen, die Aufschluss über das Innenleben des Protons und die Grundkräfte der Natur geben. 1995 folgte das Experiment HERMES, das den Elektronenstrahl von HERA verwendete, um dem Eigendrehimpuls – dem Spin – der Protonen und Neutronen auf die Spur zu kommen. Von 1999 bis 2003 nutzte HERA-B den Protonenstrahl von HERA mit dem Ziel, die physikalischen Geheimnisse schwerer Quarks zu lüften.

Einzigartige Einsichten

Bis 2007 waren H1, ZEUS und HERMES in Betrieb und zeichneten riesige Datenmengen auf. In dieser Zeit fanden viele der mit HERA gewonnenen Erkenntnisse Eingang in die Lehrbücher. Heute gehören sie zum Grundlagenwissen über den Aufbau unserer Welt. Doch damit ist bei weitem nicht Schluss: Die Auswertung der aufgezeichneten Messdaten wird noch jahrelang einzigartige Einsichten in das Innenleben des Protons und die Natur der fundamentalen Kräfte liefern.

H1 und ZEUS entdeckten zum Beispiel, dass das Innere des Protons nicht nur drei Quarks beinhaltet, sondern einer brodelnden Teilchensuppe gleicht, in der Quarks, Antiquarks und die „Klebeteilchen“ zwischen ihnen, die Gluonen, ständig auftauchen und wieder verschwinden. Die beiden HERA-Experimente konnten zudem belegen, dass zwei der fundamentalen Kräfte der Natur, die elektromagnetische und die schwache Kraft, den gleichen Ursprung haben: die elektroschwache Kraft, zu der sich die beiden Kräfte bei extrem hohen Energien vereinigen. Damit beobachteten die HERA-Experimente unmittelbar die Auswirkungen des ersten Schritts zur großen Vereinheitlichung aller vier Grundkräfte der Natur. Auch die starke Kraft zwischen den Quarks konnten H1 und ZEUS präzise vermessen. Erstmals wiesen die Physiker in einem einzelnen Experiment über einen weiten Energiebereich durchgängig nach, dass sich die Stärke dieser Kraft ändert – und zwar genau andersherum als bei den anderen Naturkräften: Je dichter zwei Quarks beieinander sind, desto freier bewegen sie sich; je weiter sie sich voneinander entfernen, desto stärker zieht die starke Kraft sie – wie ein Gummiband – wieder zusammen.

Will man den Spin der Protonen und Neutronen wirklich verstehen, so muss man die Beiträge der brodelnden Teilchensuppe in ihrem Inneren einzeln bestimmen. Genau hierin lag die Stärke von HERMES: Das spezielle Konzept des Experiments erlaubte es den Forschern, die Beiträge der verschiedenen Sorten von Quarks getrennt zu vermessen. Zudem gehörte HERMES zu den ersten Experimenten der Welt, die einen direkten Hinweis auf den Spin der Gluonen geben konnten.

Vorbild für internationale Forschungsprojekte

Die einmaligen Einblicke von HERA in das Proton und die Naturkräfte bilden die Basis für zahlreiche weitere Teilchenphysikexperimente ebenso wie für eine Vielzahl von aktuellen Entwicklungen der theoretischen Teilchenphysik. So dienen die HERA-Ergebnisse dazu, die Vorhersagen für die Teilchenkollisionen am weltweit leistungsstärksten Beschleuniger, dem LHC in Genf, zu verbessern. Auch die beim Bau und Betrieb von HERA gewonnenen Erkenntnisse finden Anwendung in neuen Beschleunigerprojekten. Für die supraleitenden Magnete des LHC zum Beispiel wurden wesentliche Teile des für den HERA-Protonenring ausgearbeiteten Konzepts verwendet.

Der Bau von HERA in den 1980er Jahren war ein Paradebeispiel für erfolgreiche internationale Zusammenarbeit: Insgesamt elf Länder trugen dazu bei – ein Novum in der Geschichte der Teilchenforschung. Bis dahin wurden zwar die Detektoren in internationaler Zusammenarbeit gebaut, der Beschleuniger selbst war jedoch Aufgabe des Gastgeberinstituts. HERA dagegen wurde zu über 20 Prozent aus dem Ausland finanziert, die vier HERA-Experimente zu etwa 60 Prozent. Dieses „HERA-Modell“ der internationalen Zusammenarbeit funktionierte so gut, dass es zum Vorbild für die Durchführung großer internationaler Forschungsprojekte wurde.