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| Von der Suche nach Quarkmaterie bis zur Tumortherapie |
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Von der Suche nach Quarkmaterie bis zur Tumortherapie
Forschung mit schweren
Ionen zeichnet sich durch ein breites Spektrum aus, das über die Kern-
und Atomphysik hinaus auch in benachbarte anwendungsorientierte Gebiete
wie Plasmaphysik, Materialforschung und Strahlenmedizin reicht.
Dementsprechend breit angelegt ist das Forschungsprogramm, das die
Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt betreibt - eine der
16 deutschen Großforschungseinrichtungen und ein Forschungszentrum von
internationalem Rang.
Neues Wissen über den Aufbau der
Materie - und damit über die Gesetze, die den Lauf der Welt bestimmen -
kommt seit fast fünf Jahrzehnten zu einem wesentlichen Teil aus
Experimenten mit Beschleunigern. In gewaltigen Vakuumringen werden
Atomkerne und Elektronen, von Magnetfeldern geführt, bis zur Grenze des
gerade noch physikalisch und technisch Machbaren mit Energie
»vollgepumpt« und dann gegeneinander oder auf in ihre Bahn geschobene
Hindernisse geschossen. Aus der Analyse der dabei entstehenden
»Trümmer«, den neu entstandenen Teilchen, ergeben sich dann neue
Einsichten und Erkenntnisse über die Struktur der untersuchten Systeme
und die sie zusammenhaltenden Kräfte.
Während aber die Elementarteilchenphysik mit Protonen und
Elektronen operiert, werden in der seit etwa 30 Jahren intensiv
betriebenen Schwerionenphysik schwere Ionen beschleunigt, schwerere
Atome also, denen ein Teil ihrer Hüllenelektronen abgestreift ist und
die somit positiv geladen sind. Erreicht wurde dadurch eine wesentliche
Verbreiterung der Forschungsmöglichkeiten, sowohl innerhalb der Kern-
und Atomphysik als auch disziplinübergreifend zur Festkörper- und
Materialforschung bis hin zur Biophysik und Strahlenmedizin. Das breite
Spektrum von Grundlagenforschung und angewandter Forschung mit schweren
Ionen, wie es heute bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH,
der GSI, in Darmstadt betrieben wird, reicht von der Suche nach
Quarkmaterie bis zur Tumortherapie.
Die Gründung der GSI erfolgte im Dezember 1969 nach
Vorarbeiten, die bis zum Anfang der sechziger Jahre zurückreichten. Im
November 1971 begannen die Bauarbeiten auf dem Gelände des neuen
Forschungszentrums am nördlichen Stadtrand von Darmstadt, und mit der
Inbetriebnahme des Linearbeschleunigers UNILAC (Universal Linear
Accelerator) im Mai 1975 konnten die ersten Experimente anlaufen. Im
Januar 1976 wurde der reguläre Experimentierbetrieb aufgenommen.
Nach zehn Jahren erfolgreichen Forschens begann die
Verwirklichung einer weiteren Ausbaustufe. Der Bundesforschungsminister
genehmigte 1985 den Bau des Schwerionen-Synchrotrons (SIS) und des
Experimentier-Speicherrings (ESR) nebst den dazugehörigen
Experimentiereinrichtungen und Nachweisgeräten - im Forscherjargon als
Experimente bezeichnet. Diese Erweiterungen wurden 1990 in Betrieb
genommen, so daß nunmehr auch relativistische Schwerionen - das sind
ionisierte Atome mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit -
für die Versuche zur Verfügung stehen.
Das GSI-Forschungszentrum nach der Verwirklichung der
zweiten Ausbaustufe aus der Luft. Die großen Hallen auf der rechten
Seite beherbergen das Schwerionen-Synchrotron (SIS), den
Experimentier-Speicherring (ESR) sowie die dazugehörigen Detektoren und
Nachweisgeräte - die Experimentiereinrichtungen.
Lückenlos über 13 Zehnerpotenzen
Im Mittelpunkt
des GSI-Forschungsprogramms stehen mit insgesamt rund 80%
erkenntnisorientierte Grundlagenuntersuchungen im Bereich der Kern- und
Atomphysik. Parallel dazu haben sich anwendungsbezogene
Forschungsaktivitäten entwickelt, die zunehmend Gewicht erhielten. Sie
liegen heute zu etwa je 5% in der Materialforschung, in der
Plasmaphysik und in der Biophysik. Weitere 5% beansprucht die
Beschleunigerentwicklung. Dabei ist eindrucksvoll, wie sich der
Dimensionsbereich der Forschungsobjekte nahezu lückenlos über 13
Zehnerpotenzen erstreckt. Er fängt »oben«, bei der Zelle mit
Abmessungen von 10-5 m an und erstreckt sich dann über Molekül (10-9 m)
und Atom (10-10 m), Atomkern (10-14 m) und Nukleon (10-15 m)
bis »hinab« zu den Quarks (<10-18 m) im Quark-Gluon-Plasma.
Im Bereich der kernphysikalischen Grundlagenforschung haben
Untersuchungen zur Kernstruktur besonders hohen Stellenwert. Die
Synthese und Entdekkung der fünf schwersten Elemente des
Periodensystems bis hinauf zum Element 111 - ein weltweit beachteter
Erfolg an der GSI um die Jahreswende 1994/95 - sind ein Beispiel für
die systematische Verfolgung eines Forschungsziels durch
kontinuierliche apparative Verbesserungen bei den Nachweissystemen und
im Beschleunigerbereich. Die mit der Inbetriebnahme des
Schwerionen-Synchrotrons SIS und des Experimentier-Speicherrings ESR
erweiterten Forschungsmöglichkeiten haben zu ganz neuen Erkenntnissen
über die Eigenschaften exotischer Kerne außerhalb des normalen Bereichs
der stabilen Isotope geführt. Das Studium dieser exotischen Kerne ist
über die reine Kernphysik hinaus für astrophysikalische Fragestellungen
wie die Elementsynthese in den Sternen von übergreifendem Interesse.
Das zweite große Arbeitsgebiet der kernphysikalischen
Grundlagenforschung bei der GSI ist das Studium heißer und dichter
Kernmaterie. Mit Schwerionenstrahlen im gesamten SIS-Energiebereich
(und darüber hinaus bis hin zu den höchsten Energien am CERN in Genf)
lassen sich die vielen Erscheinungsformen von Kernmaterie, vom
»flüssigen« Normalzustand über das freie Nukleonengas bis zur Auflösung
der Kernbausteine in ein Quark-Gluon- Plasma, studieren. Auch dieses
Forschungsgebiet hat erheblichen astrophysikalischen Bezug, denn die
Wissenschaftler glauben, daß wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall
die gesamte Materie des Alls als Quark-Gluon-Plasma vorlag. Ferner
werden der dramatische Verlauf von Supernova-Explosionen und die
Eigenschaften der dabei entstehenden Neutronensterne wesentlich durch
das Verhalten verdichteter Kernmaterie bestimmt.
Schließlich brachte die Inbetriebnahme von SIS und ESR auch
für die Atomphysik einen Durchbruch: Bis zu den schwersten Atomen
lassen sich jetzt die Elektronenhüllen vollständig abstreifen. Damit
ist die Überprüfung der Quantenelektrodynamik, der genauesten
physikalischen Theorie überhaupt, nunmehr bei höchsten
Kernladungszahlen möglich.
In andere Richtung zielen die Arbeiten zur Plasmaphysik. Mit
Schwerionenstrahlen lassen sich aufgrund der sehr effektiven Deposition
von Energie in Materie Plasmen hoher Dichte erzeugen. Diese Studien
beinhalten wichtige Vorarbeiten im Hinblick auf das Fernziel einer
großtechnischen Energiegewinnung aus thermonuklearen Fusionsreaktionen
nach dem Prinzip der Trägheitsfusion. Darum sollen Intensität und
Qualität der Schwerionenstrahlen in den nächsten Jahren durch ein
Intensitätserhöhungs-Programm noch weiter gesteigert werden.
In einem Festkörper läßt sich die hohe Energiedeposition
eines Schwerionenstrahls auch dazu benutzen, die Eigenschaften des
beschossenen Materials makroskopisch zu verändern. Das ermöglicht
innovative technologische Anwendungen im Werkstoffbereich. Von
besonderem Vorteil ist hierbei, daß ein breitgefächertes Spektrum an
Ionensorten und Ionenenergien zur Verfügung steht, so daß die
unterschiedlichsten Materialmodifikationen möglich sind.
Die radiobiologische Wirkung von schweren Ionen -
insbesondere die strahlungsbedingte Inaktivierung von Zellen - wird
bereits seit Inbetriebnahme des UNILAC untersucht. Die Möglichkeit, mit
Schwerionenstrahlen Energie in die Tiefe eines Gewebes einbringen zu
können und dabei die Schädigungszone genau lokalisiert und durch
Strahlparameter variierbar einzurichten, bietet gegenüber herkömmlichen
Bestrahlungsverfahren ganz neue Perspektiven, beispielsweise für die
Krebstherapie. Die über Jahre systematisch untersuchte radiobiologische
Wirkung von Schwerionenstrahlen, verbunden mit der Entwicklung
neuartiger Beschleuniger- und Bestrahlungstechniken, sind die
Voraussetzung für ein Pilotprojekt zur Krebstherapie mit schweren
Ionen, das 1996 anlaufen soll. - So sind diese Arbeiten ein
exemplarisches Beispiel dafür, wie erkenntnisorientierte
Grundlagenforschung und daraus resultierende technologische
Entwicklungen einen direkten Beitrag zum Nutzen der Allgemeinheit
leisten können.
Die GSI in ihrem Forschungsumfeld
Die
Gesellschaft für Schwerionenforschung ist, was man in Deutschland eine
Großforschungseinrichtung, in anderen Ländern ein Nationallaboratorium
nennt. Die GSI hat derzeit etwa 700 Mitarbeiter, darunter 300
Wissenschaftler und Ingenieure. Der Gesamtetat beträgt knapp 130 Mio
DM, die im Verhältnis 9:1 von den beiden Gesellschaftern der GSI, dem
Bund und dem Land Hessen, getragen werden. - Wie ist es dazu gekommen,
und welche Rolle kommt einem derart großen Laboratorium mit Blick auf
sein Umfeld, die übrige deutsche und internationale
Forschungslandschaft, zu?
Der Bau und Betrieb von Beschleunigeranlagen wie UNILAC, SIS
und ESR nebst den zugehörigen komplexen Experimentiereinrichtungen
würde die personellen und finanziellen Möglichkeiten einzelner
Hochschulen übersteigen. Derart aufwendige Anlagen können nur an einer
zentralen Stelle aufgebaut werden, um dann einem möglichst breiten
Nutzerkreises zur Verfügung zu stehen. In diesem Sinne wurden die GSI
und beispielsweise auch DESY in Hamburg als Großforschungseinrichtungen
der Grundlagenforschung gegründet. Beide Institute wurden später
zusammen mit anderen mehr anwendungsorientierten Zentren in der
Arbeitsgemeinschaft der Großforschungseinrichtungen (AGF)
organisatorisch zusammengefaßt.
Ihrer Hauptaufgabe entsprechend, neben Bau und Betrieb der
Großgeräte allen interessierten Wissenschaftlern den Zugang zu ihren
Forschungsanlagen zu ermöglichen, hat sich die GSI zu einem
Kristallisationspunkt entwickelt, an dem Forschergruppen von
Hochschulen und anderen Instituten des In- und Auslands gemeinsam ihre
Forschungsarbeiten ausführen. Zusammen mit dem Zentrum entwickeln die
Nutzer ein Programm, in dem die Schwerpunkte der Forschung festgelegt
werden. Dabei kommt der GSI eine wichtige koordinierende Führungsrolle
zu, die sie nur wahrnehmen kann, wenn sie über die Bereitstellung und
den Betrieb der Anlage hinaus selbst aktiv Forschung betreibt.
Auch in der Forschung müssen alle an einem Strang
ziehen, mitunter sogar ganz wörtlich. Dies gilt insbesondere für
personal- und kostenintensive Projekte in der modernen Physik. Die
Aufnahme entstand beim Aufbau des LAND-Detektors.
Über die sachliche Notwendigkeit hinaus hat eine solche
Zusammenführung interner und externer Forschungsgruppen auch einen
wichtigen forschungs- und bildungspolitischen Effekt. Die Öffnung der
Großforschungseinrichtung für externe Wissenschaftler, die zum
überwiegenden Teil von deutschen Hochschulen kommen, macht es den
Hochschulen möglich, an Spitzenforschung teilzunehmen. Sie können den
Studenten eine an modernen Technologien orientierte Ausbildung
vermitteln und so auch die Lehre auf hohem und aktuellem Stand halten.
Es ist keine leere Phrase, daß Forschung und Lehre eine Einheit bilden
müssen. Man kann Wissenschaftler nur gut ausbilden, wenn man sie
unmittelbar an moderner Forschung beteiligt. Die Großforschungszentren
ihrerseits haben bei diesem Konzept den Vorteil, daß ihrer Arbeit
ständig junge Kräfte und neue Ideen zugeführt werden und dadurch
sichergestellt ist, daß die Forschung lebendig bleibt.
Die FOPI-Kollaboration stellt sich vor dem FOPI-Detektor
dem Fotografen zum Gruppenbild. Nicht weniger als 68 Wissenschaftler
aus 12 Hochschulen und Forschungsinstituten, darunter 7 ausländische
Forschungseinrichtungen, arbeiten in dieser Gruppe zusammen.
Die GSI hat sich seit ihrer Gründung bemüht, den engen
Kontakt zu den deutschen Hochschulen zu fördern und auszubauen. Sie
unterhält aus eigenen Mitteln ein als GSI-Modell bekannt gewordenes
Hochschulprogramm, in dem jährlich 7 Mio DM an Hochschulgruppen für die
Übernahme von GSI-relevanten Entwicklungsarbeiten vergeben werden. 1994
haben etwa 200 Doktoranden und mehr als 100 Nachwuchswissenschaftler an
GSI-Forschungsvorhaben mitgearbeitet.
Eine intensive Zusammenarbeit besteht auch mit einzelnen
Instituten der Max-Planck-Gesellschaft, insbesondere mit dem
Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. Über den nationalen
Rahmen hinaus gibt es enge Kontakte zum CERN in Genf und zu anderen
führenden Schwerionen-Laboratorien in Europa, den USA, der GUS (der
Gemeinschaft unabhängiger Staaten, der früheren Sowjetunion) und Japan.
Insgesamt sind an den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der GSI vor
den Toren Darmstadts über 1000 Wissenschaftler von mehr als 100
Instituten aus über 25 Ländern beteiligt.
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