Kompetenzzentrum CFEL

Lässt sich beobachten, wie ein Elektron während einer chemischen Reaktion unfassbar schnell von einem Reaktionspartner zum anderen springt? Kann man bestimmte Biomoleküle mit starken Röntgenblitzen so beleuchten, dass die Atome zu erkennen sind, aus denen sie aufgebaut sind? In Hamburg konzentriert sich ein ganzes Forschungszentrum auf solche hochaktuellen Fragestellungen: 2007 wurde das CFEL (Center for Free-Electron Laser Science) als Gemeinschaftseinrichtung von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg gegründet.

Die CFEL-Experten untersuchen die rasanten Prozesse im Nanokosmos aus unterschiedlichen Blickwinkeln, also mit verschiedenen Forschungswerkzeugen: Manche Gruppen nutzen die kurzen Röntgenblitze von FLASH, dem US-Röntgenlaser LCLS oder dem European XFEL. Andere Teams arbeiten mit optischen Lasern oder forschen mit Elektronenstrahlen oder Rastertunnelmikroskopen.

Infektionsforschung im CSSB

Wollen Biologen grundlegende Prozesse in Zellen oder Proteinen erkunden, greifen sie oft zu physikalischen Methoden. Eines der wichtigsten Verfahren ist die Röntgenstrukturanalyse: Die Forscher bestrahlen Proteine mit intensivem Röntgenlicht und entschlüsseln deren Aufbau und Funktionsweise. Dadurch lassen sich zum Beispiel jene molekularen Mechanismen erkennen, die hinter der Entstehung von Tuberkulose stecken, einer der gefährlichsten Infektionserkrankungen. An PETRA III erforscht das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) unter anderem das Tuberkulosebakterium, um mögliche Angriffspunkte für neue Medikamente zu finden.

In Hamburg bündeln und intensivieren die Experten ihre Bemühungen im Zentrum für strukturelle Systembiologie (CSSB)  – einer interdisziplinären Forschungseinrichtung auf dem DESY-Campus. Koordiniert wird sie vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung; DESY und EMBL sind maßgeblich daran beteiligt, außerdem Partner verschiedener Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Hamburg, Niedersachsen und Schleswig-Holstein. Ihr gemeinsames Ziel: den Angriffen von Krankheitserregern atomgenau auf die Spur zu kommen.

Schub für die Nanowissenschaften

Die Nanotechnologie gilt als eine künftige Schlüsseltechnologie: Nanometerkleine Bausteine und Strukturen dürften eines Tages die Basis für extrem schnelle Computer und neuartige, intelligente Werkstoffe bilden. Bereits heute werden bei DESY Nanomaterialen systematisch unter die Lupe genommen. Sie lassen sich mit den Röntgenblitzen von PETRA III und FLASH so detailliert durchleuchten, dass selbst feinste Details zu erkennen sind. Mit dem NanoLab existiert bei DESY nun eine Einrichtung, mit deren Hilfe sich die Nanowelt noch effektiver analysieren lässt.

Bislang sind die Wissenschaftler in der Regel darauf angewiesen, die Materialproben, die sie bei DESY untersuchen wollen, in ihren heimischen Labors herzustellen und auf ihre Brauchbarkeit hin zu prüfen. Dann verfrachten sie die Proben – oft in Spezialbehältern – nach Hamburg, um sie dort mit dem Röntgenlicht aus dem Beschleuniger zu analysieren. Diese Prozedur soll das NanoLab vereinfachen: Auf einer Laborfläche von 1000 Quadratmetern schafft es die Möglichkeit, Nanoproben herzustellen und für die Experimente zu präparieren. Dazu dient unter anderem das „Ionenskalpell“. Es kann winzige Stückchen gezielt aus einem Material herausschneiden – und zwar mit einer Präzision im Bereich von Nanometern. Interessant ist das etwa für die Analyse innovativer Metalllegierungen sowie von Schichtstapeln, die ungewöhnliche magnetische Eigenschaften zeigen und womöglich als Datenspeicher taugen.

Die Genf-Connection

Er ist der leistungsstärkste Beschleuniger aller Zeiten und das derzeit aufregendste Experiment der Teilchenphysik: Der LHC feuert Protonen mit Rekordenergien aufeinander. Dadurch besitzt der 27 Kilometer große Gigant das Potenzial, völlig neue Materiebausteine zu entdecken – wie im Sommer 2012 ein neues Teilchen, vermutlich das Higgs-Teilchen. Beobachtet werden die rasanten Kollisionen von haushohen Messapparaturen, den Detektoren. Zahlreiche DESY-Forscher bringen ihr Know-how in die Experimente mit ein.

Die beiden größten Detektoren in Genf heißen ATLAS und CMS – riesenhafte Nachweisgeräte, bestehend aus Abermillionen hochempfindlicher Einzelsensoren. Zu jedem dieser Kolosse gehört ein Mega-Team: mehr als 2000 Spezialisten aus aller Welt, die gemeinsam den Detektor betreiben, Daten nehmen und anschließend auswerten. Das Forschungszentrum DESY stellt ein respektables Kontingent: Mehr als 100 seiner Experten arbeiten intensiv bei ATLAS und CMS mit. Unter anderem helfen sie dabei, die enorme Datenflut, die die Detektoren Tag für Tag liefern, zu analysieren und nach Anzeichen neuer Teilchen zu durchforsten. Regelmäßig reisen die DESY-Fachleute nach Genf, um dort im Schichtbetrieb die Detektoren zu bedienen oder mit den Kollegen aus aller Welt über die hochkomplexe Datenanalyse zu diskutieren. Für beide Detektoren haben die Physiker bei DESY Kontrollräume installiert, in denen sie die Güte der aktuell aufgezeichneten Messdaten aus der Ferne überprüfen können. Dabei profitieren die DESY-Wissenschaftler von ihren Erfahrungen, die sie beim Betrieb des HERA-Beschleunigers in Hamburg sammeln konnten.