Forschung in Hamburg

Hamburger Schwerpunkte

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Gravitation, Urknall, Dunkle Materie, Dunkle Energie, Higgs-Teilchen, Top-Quark, Symmetrie, Supersymmetrie, Superstrings, Extradimensionen, Technologie, Zukunft, Big Data, Künstliche Intelligenz, Teilchenbeschleuniger, Tunnel, unterirdisch, Weltall, Raumzeit, vom ganz Großen zum ganz Kleinen, hausgemacht, Hamburger Beiträge, Innovation, Anwendungen ...

Die perfekte Welle

Deutsche Forschungsgruppen waren bei einem der größten physikalischen Ereignisse der letzten Jahre beteiligt: der Entdeckung von Gravitationswellen.

Wie von Einstein vorhergesagt, werden Gravitationswellen erzeugt, wenn im Weltraum extreme Dinge passieren: Kollisionen von schwarzen Löchern und Neutronensternen oder Supernovae, also Sterne, die ihr Leben mit einer riesigen Explosion beenden. Diese extremen Ereignisse stören die Raumzeit und senden Wellen in alle Richtungen. Diese Wellen enthalten Informationen über ihren Ursprung und möglicherweise über die Natur der Schwerkraft selbst. Die Forschenden brauchen nur die richtigen Werkzeuge, um diese Informationen zu lesen.

Das richtige Werkzeug war das “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory” (LIGO) in den USA. Am 14.09.2015 hat LIGO erstmalig eine Gravitationswelle aus den Tiefen des Universums beobachtet. Weltweit waren ca. 1.000 Wissenschaftler:innen beteiligt, auch von der Universität Hamburg und dem Albert-Einstein-Institut in Hannover. Gesehen wurde das Signal zuerst in Hannover, denn es war vormittags und die Kollegen und Kolleginnen in den USA schliefen noch. Manchmal muss man einfach Glück haben!

Seit 2015 haben LIGO und das europäisch-italienisch-französische Virgo-Observatorium 70 Gravitationswellen aufgezeichnet. Die erste wissenschaftliche Erkenntnis von inzwischen vielen war, dass es im Universum deutlich mehr Schwarze Löcher gibt als zuvor gedacht.

2017 gab es für die erste Beobachtung den Physik-Nobelpreis für Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish, die 1992 LIGO gegründet bzw. später geleitet hatten.

ATLAS und CMS am LHC

Die Forschungsgruppen von der Universität Hamburg und DESY gehören zu den größten Gruppen der riesigen internationalen Kollaborationen, die die Detektoren ATLAS und CMS am LHC am CERN betreiben. Sie entwickeln, bauen und testen neue Komponenten, kontrollieren die Qualität der Daten und werten sie natürlich auch aus.

Das absolute Highlight der Datenanalyse bei ATLAS und CMS bisher war die Entdeckung eines neuen Teilchens, des Higgs-Teilchens, im Jahre 2012, unter reger Beteiligung von Physiker:innen aus Hamburg. Für diese Entdeckung gab es 2013 den Nobelpreis in Physik.

ATLAS ist übrigens der größte Detektor, der jemals an einem Teilchenbeschleuniger gebaut wurde. Er ist 40 Meter lang und 25 Meter breit und hoch. Damit würde er bis an den Säulengang des Brandenburger Tors ragen.

CMS dagegen ist der schwerste Detektor, der jemals an einem Teilchenbeschleuniger gebaut wurde. Er wiegt 12.500 Tonnen und ist damit mehr als eineinhalbmal so schwer wie der Eiffelturm.

Mit ihren vielen Hightech-Detektorlagen zeichnen ATLAS und CMS alle Teilchen auf, die bei den Kollisionen im Beschleuniger entstehen.

What a beauty: das BELLE-Experiment

Im neuen leistungsstarken Teilchenbeschleuniger SuperKEKB kollidieren Teilchenstrahlen aus Elektronen und ihren Antiteilchen (Positronen). Die dabei entstehenden Teilchen werden im Belle-II-Experiment gemessen und analysiert. Der gesamte Belle-II-Detektor ist etwa 10 Meter breit, ebenso hoch und wiegt insgesamt 1.500 Tonnen. Belle II ist ein internationales Experiment, an dem auch Hamburger Physiker:innen beteiligt sind. Das Ziel ist es, zeitabhängige Materie-Antimaterie-Asymmetrie-Effekte zu beobachten und so den Materieüberschuss in unserem heutigen Universum zu verstehen.

Detektivbüro Dunkle Materie

Hier in Hamburg ist man auch der Dunklen Materie auf der Spur. Experimente bei DESY und der Universität Hamburg konzentrieren sich auf ganz besondere Kandidaten für die Dunkle Materie, die aus extrem leichten Teilchen wie dem sogenannten Axion bestehen. Diese Teilchen erfordern ganz neue Suchkonzepte, die in Hamburg in Experimenten namens MADMAX, BRASS, WISPFI oder WISPLC umgesetzt werden. Zudem wird mit ALPS II versucht, Teilchenkandidaten der dunklen Materie selbst zu erzeugen und zu detektieren. Ein Experiment namens BabyIAXO sucht nach entsprechenden Teilchen, die im Zentrum der Sonne erzeugt werden könnten.

Man könnte aber auch Dunkle Materie in Teilchenkollisionen erzeugen, zum Beispiel am Large Hadron Collider. Bisher hat sie sich aber jeder Suche entzogen ...

Das Axion

Das Grundprinzip der Axionensuche in Hamburg ist meist sehr ähnlich: wenn Axionen in ein starkes Magnetfeld eindringen, können sie sich in Licht umwandeln. Die Forschenden fahnden also nach Licht, das quasi aus dem Nichts in einem völlig lichtdichten Raum entsteht, sobald dieser von einem Magnetfeld durchflutet wird. Die technischen Herausforderungen sind allerdings enorm: Man braucht extreme Magnetfelder, und die erwarteten niedrigen Lichtintensitäten liegen an der Grenze des technisch Nachweisbaren.

Schwingende Schleifen

Mit der Superstring-Theorie versuchen Physiker:innen und Mathematiker:innen, auch von der Universität Hamburg und DESY, die Gegebenheiten kurz nach dem Urknall zu beschreiben. Die elementaren Bestandteile sind ultrakurze Schleifen („Strings“), die sich wie schwingende Saiten verhalten, und verschiedene Teilchen ergeben sich als die vielen verschiedenen Schwingungsformen dieser Strings. Allerdings brauchen sie mehr als nur unsere drei Raumdimensionen zur Beschreibung, nämlich bis zu sechs Dimensionen mehr. Deren Ausdehnungen können allerdings mit gegenwärtigen Messinstrumenten noch nicht aufgelöst werden.

Einer der Vorzüge der Superstring-Theorie ist es, dass sie alle vier Grundkräfte der Natur auch bei sehr kleinen Abständen beschreiben kann, und Forschende versuchen zu verstehen, warum die Gravitationskraft sich so stark von den anderen drei Kräften unterscheidet. Und noch einem Rätsel ist die Superstring-Theorie auf der Spur: Warum beschleunigt sich die beobachtete Expansion des Universums heutzutage? Wie lässt sich die dahinter schon von Einstein vermutete Dunkle Energie mit den Gesetzen der Superstring-Theorie in Einklang bringen?

Der wissenschaftliche Alltag

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Meetings, Postdocs, Studierende, Prüfung, Vorlesung, Bewerbungsgespräch, Drittmittelantrag, Bildschirm, Zoom, Feierabendbier, Inspiration, Kolleg:innen, Selbstmotivation, Neugierde, Freude, Nachtschicht, Rufbereitschaft, Veröffentlichung, Work-Life-Balance, Exzellenzcluster, Betriebskindergarten, Sportplatz, bewegte Pause, Physikerparty, Ideen

Ein ganz normaler Tag ...

An den Hochschulen und Forschungsinstituten Hamburgs sind täglich einige Hundert Studierende und Wissenschaftler:innen auf der Suche nach den großen Geheimnissen. Bahnbrechende Entdeckungen oder revolutionäre Geistesblitze kommen aber natürlich nicht jeden Tag vor. Trotzdem gibt es für alle mehr als genug zu tun.

Fragt man sie nach einem typischen Tag, werden die meisten antworten, dass sie am Computer sitzen, viele Meetings haben und manchmal auf Dienstreise zu Konferenzen fahren. Vielleicht kommt Ihnen das ja bekannt vor?

Tatsächlich sind die Aufgaben der Forschenden sehr vielfältig. Theoretiker:innen entwickeln Modelle, machen Vorhersagen für Experimente und berechnen Hypothesen zu Eigenschaften und Vorgängen, denen die Experimentator:innen auf den Grund gehen. Auch umgekehrt versucht die Theorie, Modelle zu entwickeln, um experimentell gemessene Daten erklären zu können. Für die Experimente müssen die Forschungsanlagen entworfen, gebaut, getestet, im Schichtdienst betrieben und auf dem neuesten Stand gehalten werden. Die hereinkommenden Daten werden gesammelt, gespeichert, ausgewertet und veröffentlicht. Außerdem gilt es, neue Technologien zu entwickeln, Drittmittel einzuwerben, die nächste Forschungsgeneration auszubilden und, wie bei dieser Ausstellung, die Faszination der Forschung an die Öffentlichkeit weiterzugeben.

Technologie und Wissenschaft

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PET-Scan, Krebstherapie, Selbstfahrende Autos, WorldWideWeb, Teflon-Pfanne, Materialforschung, Touchscreen, Protonentherapie, MRT, Solarzellen, interkulturell, international, problemorientiert, Raumtemperatur-Supraleiter, Vakuum, Kunstgeschichte, Künstliche Intelligenz

Was haben wir davon?

Sollte das Geld, das in die Grundlagenforschung investiert wird, nicht besser für andere Dinge ausgegeben werden? Dieser Gedanke ist verständlich und nachvollziehbar, denn Grundlagenforschung hat keinen direkten Nutzen für den Menschen – außer natürlich, die natürliche Neugier der Menschen zu stillen und die Grenzen des Wissens zu verschieben und allen Menschen frei zur Verfügung zu stellen.

Allerdings braucht man für diese grundlegende Forschung viel spezialisierte und präzise Hochtechnologie, die es nirgendwo zu kaufen gibt. Sie wird an den Unis und in den Laboren entwickelt, und die Entwickler:innen entdecken dabei oft Möglichkeiten, wie man diese Technologien auch im Alltag nutzen könnte. Das World Wide Web ist wohl die Entwicklung aus der Forschung, die unser Leben am fundamentalsten verändert hat. Aber wir profitieren auch von medizinischen Entwicklungen – Detektoren und Beschleuniger aus der Teilchenphysik helfen zum Beispiel dabei, Tumore besser zu erkennen und präziser zu bearbeiten.

Physik trifft Medizin

Trotz atemberaubender Fortschritte in der Medizin gibt es immer noch „blinde Flecken“, also Fragen, die bislang unbeantwortet sind. Ein Beispiel wäre das Verhalten der verschiedenen Subtypen von Immunzellen bei immunvermittelten entzündlichen Krankheiten, wie z. B. Morbus Crohn. In enger Kooperation zwischen dem Fachbereich Physik der Universität Hamburg und dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) wird an genauer dieser Frage geforscht, indem das Physik-Team der UHH mit innovativen Methoden der biomedizinischen Bildgebung am Teilchenbeschleuniger zusammen mit dem UKE-Team neuartige Studien durchführt. Beide Seiten erhoffen sich davon neue Einblicke in unser Immunsystem mit der Aussicht, damit neue Therapiemethoden entwickeln zu können.

Technologie und Wissenschaft

In der Forschung werden nicht nur kreative Köpfe gebraucht, sondern auch viele Geräte und Materialien, die meist ganz besondere Voraussetzungen erfüllen und deshalb neu entwickelt werden müssen. Einmal erfolgreich in der Wissenschaft getestet und eingesetzt, lassen sie sich oft auf andere Einsatzbereiche erweitern. So hilft Detektortechnologie bei Weltraummissionen, in Kernkraftwerken oder beim Durchleuchten von Waren. Neue Werkstoffe für verbesserte Flugzeugteile werden mit Hilfe von Beschleunigern entwickelt, Bilder alter Meister schonend durchleuchtet und rekonstruiert und Solarzellen mit Hilfe des Vakuum-Knowhows der Physikforschung weiterentwickelt. Außerdem helfen Rechenmethoden aus der Teilchenphysik – maschinelles Lernen, zum Beispiel – in so verschiedenen Bereichen wie Lagerlogistik oder selbstfahrenden Autos.

Letztendlich sind es sogar die kreativen Köpfe selbst, die am meisten in die Gesellschaft zurücktragen. Nur wenige der jungen Leute bleiben in der Forschung, der Rest bereichert die Arbeitswelt mit den in der Forschung gelernten Fähigkeiten – Probleme lösen zu können, kreativ, teamfähig und tolerant zu sein, logisch zu denken und methodisch vorzugehen, um in den großen internationalen Kollaborationen Probleme gemeinsam zu lösen.

Die Geburtsstätte des World Wide Web

Der Grundstein für das World Wide Web wurde 1989 am CERN gelegt. Der CERN-Mitarbeiter Sir Tim Berners-Lee entwickelte es damals, um den auf der ganzen Welt verstreuten Wissenschaftler:innen den Informationsaustausch zu erleichtern. Seine Entwicklung stellte das CERN der Welt 1993 kostenfrei zur Verfügung, aber schon vorher hatten sich IT-Experten von DESY, das eng mit dem CERN zusammenarbeitet, in das neue System eingefuchst und so die erste Webseite Deutschlands geschaffen.

Was bringt uns die Zukunft?

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Future Circular Collider, International Linear Collider, Einstein Telescope, Künstliche Intelligenz, Machine Learning, Zusammenarbeit, friedlich, Innovation, Plasmabeschleuniger, Supraleitung, LISA, ALPS, Klimawandel, interdisziplinär

Ist die Zukunft linear?

Teilchenkollisionsexperimente mit Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen, zeichnen sich durch extrem hohe Genauigkeit aus. Der geplante Internationale Linear Collider (ILC) ist ein linearer Elektron-Positron-Beschleuniger, der Energien von 250 – 1.000 Milliarden Elektronenvolt erreichen kann und eine Länge von 20 – 50 Kilometern haben soll. DESY und die Universität Hamburg sind wesentlich an der Entwicklung der ILC-Technologie beteiligt, die bereits beim European XFEL in Schenefeld erfolgreich im Einsatz ist. Eine technische Neuheit sind die Verwendung von polarisierten Elektronen- und Positronenstrahlen, die besondere zusätzliche Informationen über die Eigenschaften der produzierten Teilchen liefern. Der ILC erlaubt Messungen aller Teilchen – beispielsweise des Higgs-Teilchens – mit unerreichter Präzision und offenbart selbst winzige Spuren neuer Physik. Momentan wird der Bau des ILC als internationales Projekt in Japan intensiv diskutiert.

Surfen auf der Plasmawelle

Die Erforschung unserer Welt und der fundamentalen Bausteine, aus der sie besteht, nutzt Teilchenkollisionen bei allerhöchsten Energien. Wissenschaftlicher Fortschritt ist dabei direkt mit der Entwicklung neuartiger Teilchenbeschleuniger verknüpft, die immer neue Energieskalen erschließen.

Plasmabasierte Beschleuniger versprechen eine Revolution der Beschleuniger für die Teilchenphysik, da sie geladene Teilchen mit tausendfach größerer Feldstärke beschleunigen können als traditionelle Beschleunigungstechniken basierend auf Metallstrukturen. Sie sind also bei gleicher Teilchenenergie viel kleiner.

In Plasmen regen entweder hochintensive Laserblitze oder extrem dichte Teilchenstrahlen starke Plasmawellen an, auf denen Teilchenpakete wie Surfer reiten können und dabei zu allerhöchsten Energien beschleunigt werden.

DESY und die Universität Hamburg zählen zu den weltweiten Innovationsmotoren in der Entwicklung plasmabasierter Technologien.

FCC – der 100-Kilometer-Tunnel

Der Future Circular Collider (FCC) ist ein weiterer geplanter Teilchenbeschleuniger und soll der große Nachfolger des LHC am CERN werden. Wenn der 27 Kilometer lange LHC gegen 2040 außer Betrieb geht, soll der 100 Kilometer lange FCC ihn ablösen. Durch den größeren Umfang können Teilchenkollisionen mit extrem hoher Energie erzielt werden, nämlich 50 Tera-Elektronenvolt, was der vierfachen Energie des LHC entspricht. Die Wissenschaft erhofft sich dadurch unter anderem, neue schwere Teilchen zu entdecken und viele ungelöste Fragen in der Welt der Teilchenphysik zu klären.

Beim FCC sind verschiedene Arten von Teilchenkollisionen vorgesehen, zum Beispiel Protonen auf Protonen, Elektronen auf Positronen und Protonen auf Elektronen. Um die Teilchen, die fast Lichtgeschwindigkeit haben werden, auf ihrer Bahn zu halten, werden extrem starke Dipol-Magnete benötigt, die es bisher noch nicht gibt. Wenn man diese Magnete erfolgreich entwickelt, könnte die Technologie auch in vielen anderen industriellen Bereichen, in Medizin und Materialforschung genutzt werden. Momentan diskutieren viele Wissenschaftler:innen überall auf der Welt, ob und wie sich der FCC realisieren lässt.

Das europäische „Einstein-Teleskop”

Die Gravitationswellen-Observatorien LIGO und Virgo beobachten im Durchschnitt inzwischen deutlich mehr als eine Gravitationswelle pro Woche. Das ist möglich geworden durch weitere Verbesserungen an der Technologie, die auch in Deutschland entwickelt wurde: Laserlicht mit gequetschter (reduzierter) Quantenunschärfe. Auch an einem weiteren zukünftigen Gravitationswellen-Projekt, das gegenwärtig diskutiert wird, dem sogenannten „Einstein-Teleskop“, sind Gruppen aus Deutschland maßgeblich beteiligt.