APPA – Von Atomen über Planeten bis zur Krebstherapie

Das Forschungsspektrum bei APPA (Atom-, Plasma-Physik und Anwendungen) reicht von der Erforschung grundlegender Prozesse in Atomen und makroskopischer Effekte in Materialien oder Gewebe bis hin zu Anwendungen in Technik und Medizin.

Biophysik

Foto: Universitätsklinikum Heidelberg
Ein Therapieplatz für die Krebsbehandlung.

Die Wirkung der Ionen auf Zellen kann gezielt eingesetzt werden. So wurde bei GSI eine bahnbrechende Krebstherapie mit Ionen entwickelt und erfolgreich praktiziert. Damit werden inzwischen Patienten an Kliniken in Heidelberg, Marburg und Shanghai erfolgreich behandelt. An FAIR wollen Biophysiker ein Verfahren entwickeln, mit dem sie Tumoren mit Protonen behandeln, die 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit besitzen. Diese sehr schnellen Protonen könnten den Tumor nicht nur zerstören, sondern gleichzeitig auch abbilden. Therapie und Diagnostik könnten zur Theranostik vereint werden. Weitere medizinische Anwendungen, wie die Behandlung von Vorhofflimmern, sind ebenfalls Ziel der biophysikalischen Forschung.

Marterialforschung - Vom Weltall ins Innere der Erde

In der Raumfahrt sind außerhalb der schützenden Erdatmosphäre Astronauten und die technischen Geräte unkontrollierbarer kosmischer Strahlung ausgesetzt. Noch weiß niemand, wie die Strahlung sich während einer langen Mission, etwa zum Mars, auf den menschlichen Körper auswirkt. Auch die Elektronik eines Raumschiffs könnte bei einem langen Aufenthalt im All von der Strahlung beschädigt werden. Mit FAIR können die Wissenschaftler Teilchenstrahlung erzeugen, wie sie im Weltall herrscht, und damit experimentieren. Die Forschungsbereiche Biophysik und Materialforschung werden untersuchen, wie sich Zellen unter kosmischer Strahlung verändern und welche Materialien die extremen Bedingungen im Weltall am besten aushalten.

Materialforscher können mit ihren Experimenten auch mehr über das Erdinnere erfahren. Es ist bekannt, dass Minerale, die dort hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind, durch radioaktive Strahlung von natürlichem Uran stark verändert werden können. Welchen Einfluss die Strahlung auf die Minerale genau hat, können Wissenschaftler an FAIR experimentell untersuchen. Indem sie Ionen mit hohen Energien auf Minerale in Hochdruckzellen schießen, können sie derartige geologische Vorgänge simulieren.

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Ein Therapieplatz für die Krebsbehandlung.
Foto: Universitätsklinikum Heidelberg

Atomphysik

Foto: G. Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Innere Struktur eines Ionenabbremsers.

Neues verstehen und bestehendes Wissen hinterfragen – typisch Physiker. Die FAIR-Wissenschaftler stellen eine grundlegende Theorie der Physik auf den Prüfstein: die Quantenelektrodynamik. Sie beschreibt alle Phänomene rund um Magnetismus und Elektrizität und damit auch das Verhalten der Elektronen in der Atomhülle. Die Quantenelektrodynamik ist mit so hoher Genauigkeit überprüft wie keine andere Theorie jemals zuvor. Offen ist allerdings, ob sie auch für extrem starke elektrische und magnetische Felder ihre Gültigkeit besitzt. Solche Felder herrschen zum Beispiel dicht um Uran-Atomkerne, sind aber zur Untersuchung nicht zugänglich, da sie von der Atomhülle abgeschirmt werden. An FAIR können Wissenschaftler Uran gezielt bis auf ein oder zwei Elektronen vollständig ionisieren und somit wasserstoffähnliche oder heliumähnliche Uran-Ionen erzeugen.

In Speicherringen können die Wissenschaftler an diesen Ionen erstmals das Verhalten von Elektronen in ultrastarken elektrischen und magnetischen Feldern vermessen und somit die Gültigkeit von fundamentalen Theorien wie der Quantenelektrodynamik, aber auch Einsteins spezieller Relativitätstheorie überprüfen. Zur Lösung einer der großen Fragen der Physik wollen Atomphysiker mit FAIR ebenfalls beitragen, zum Wesen der Antimaterie. Die Wissenschaftler wollen Anti-Wasserstoff oder Anti-Helium erzeugen und Unterschiede zu „herkömmlichem“ Wasserstoff beziehungsweise Helium finden. Somit wollen sie die fundamentale Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie überprüfen, das heißt, ob unsere Theorien stimmen, dass eine Welt aus Antimaterie exakt die Spiegelwelt einer Welt aus Materie ist.

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Innere Struktur eines Ionenabbremsers.
Foto: G. Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Plasmaphysik

Bild: ESA/SOHO-EIT
Die Sonne.

Alles um uns herum ist fest, flüssig oder gasförmig. Doch damit ist unsere Erde die Ausnahme im Universum. 99 Prozent der sichtbaren Materie im All liegt als Gemisch aus freien Ionen und Elektronen vor. Wissenschaftler bezeichnen diesen Zustand als Plasma. Es entsteht zum Beispiel, wenn Materie sehr heiß ist und dadurch Atomkerne ihre Elektronen nicht mehr in der Hülle halten können. Sterne wie unsere Sonne bestehen aus Plasma; auf der Erde entsteht ein Plasma zum Beispiel in einem Gewitterblitz oder in einer Kerzenflamme. Mit FAIR werden die Forscher besonders dichte Plasmen herstellen, wie sie im Inneren von Planeten und Sternen auftreten. Die Erkenntnisse aus der Plasmaforschung sind auch für viele Anwendungen interessant. So spielen Plasmen zum Beispiel bei der Veredelung von Materialien, der Oberflächenreinigung und der Herstellung mikroskopisch kleiner elektronischer Bauteile eine Rolle. Aus Plasmen, die durch Laser erzeugt werden, ergeben sich vielversprechende neue Technologien für zukünftige Teilchenbeschleuniger.

Informationen für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

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Die Sonne.
Bild: ESA/SOHO-EIT