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Forschung in Hamburg - Auf der Suche nach der dunklen Materie

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Nicht sichtbare und daher "dunkle" Materie - mit ihr erklären sich die Physiker die Gravitationsbewegung der sichtbaren Materie im All. Nachweisen konnten sie sie bisher nicht. Nun wollen Forscher in Hamburg nach Teilchen der dunklen Materie suchen.

Man weiß, dass es dunkle Materie gibt, aber aus was besteht sie? Dieses große Rätsel der Astrophysik könnte nun gelöst sein.

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Der Bau des Röntgenlasers European XFEL hat ein ähnlich spektakuläres Wissenschaftsprojekt im Hamburger Westen in den Hintergrund rücken lassen. Vor 25 Jahren - am 1. Oktober 1992 - begann auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (Desy) der Forschungsbetrieb am Teilchenbeschleuniger Hera. 15 Jahre lang kollidierten dort Elektronen mit Protonen, dann wurde Hera abgeschaltet. Seit 2007 bewegt sich kaum noch etwas im Hera-Tunnel, der einen Umfang von 6,3 Kilometern hat. Das soll sich nun ändern.

Laser wird durch Magnetfeld geführt

In der Betonröhre wollen Forscher nach dunkler Materie suchen. Genauer gesagt nach Axionen. Das sind Teilchen, die man bislang noch nicht messen konnte. Der Physiker Axel Lindner ist aber überzeugt, dass es sie gibt. Mit dem Projekt Alps II (Any Light Particle Search) will er ihre Existenz nachweisen.

Dafür will er einen starken Laserstrahl durch ein Magnetfeld führen. Einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, sollen sich dabei in Axionen verwandeln. Eine im Magnetfeld stehende Stahlwand würde das durch Spiegel tausendfach verstärkte Licht aufhalten, nicht aber die Axionen. Hinter der Wand würden sich nach Annahme der Wissenschaftler die Axionen in Photonen zurückverwandeln und wären bei genügender Intensität in einem Detektor messbar.

Aus rund wird gerade

Für sein Experiment kann Lindner einige der supraleitenden Magneten aus dem Hera-Tunnel gut gebrauchen. Sein Team muss sie bloß noch "geradebiegen". Hera ist ringförmig, die Vakuumröhren in den neun Meter langen Magneten müssen nun aber genau in einer Linie liegen. Diese technische Herausforderung sei inzwischen gemeistert worden, sagt Lindner. Pensionierte Desy-Forscher hätten sich zum Teil in ihrer Freizeit mit der Aufgabe beschäftigt und bereits drei der 20 benötigten Magneten begradigt.

Wenn alles gut läuft, können Lindner und seine Kollegen ihr Experiment 2020 im Hera-Tunnel aufbauen. Allerdings brauchen die Forscher nur etwa 200 Meter der Röhre, deren Ring auch gerade Streckenteile enthält.

Bis dahin können Besucher das unterirdische Bauwerk bestaunen, das nach Angaben von Desy-Sprecher Thomas Zoufal einst rund eine Milliarde D-Mark gekostet hat. Der Hera-Protonenring war einer der ersten Beschleuniger, der in supraleitender Technik gebaut wurde. Die Magneten wurden mithilfe großer Mengen an flüssigem Helium auf minus 269 Grad gekühlt. Erst bei dieser Temperatur erreicht das in den Magneten verwendete Metall Niob-Titan seine Supraleitfähigkeit. Strom kann dann ohne Widerstand hindurchfließen und so ein großes Magnetfeld erzeugen.

"Wir machen das aus Neugier"

Die wissenschaftlichen Ergebnisse der Hera-Experimente klingen für den Laien abstrakt: Ein Proton, so wurde erkannt, besteht nicht nur aus drei Quarks und Gluonen, sondern ist ein sehr lebhaftes Gebilde aus sogenannten virtuellen Quarks. "Man kann sich das vorstellen wie eine brodelnde Suppe mit Blasen", sagt der Teilchenphysiker Joachim Mnich. Hera habe gezeigt, wie sich die Wechselwirkungen der Quarks unter dem Einfluss von Energie ändern.

Auf die Frage, was diese Forschung dem Menschen bringt, sagt Mnich: "Wir machen das aus Neugier." Und Detektoren in der Art, wie sie bei Hera entwickelt wurden, werden inzwischen auch beim Röntgen in der Medizin eingesetzt. Hera wurde am 30. Juni 2007 abgeschaltet. Auch weil das Experiment im Tunnel wissenschaftlich ausgereizt gewesen sei, sagt Desy-Sprecher Zoufal. Von den 100.000 Teilchenkollisionen pro Sekunde seien 5 bis 10 pro Sekunde gespeichert worden, 15 Jahre lang. Mit der riesigen Datenmenge, die der Forschung noch immer zur Verfügung steht, sei ein sehr gutes Bild des Protons - eines der Bestandteile der bekannten Materie - entstanden.

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