Im Inneren der CERN-Forschungseinrichtung ISOLDE. Hier werden radioaktive Isotope untersucht.
Jenseits des Sichtbaren
Der Chemiker Jens Röder und der Physiker Michael Doser arbeiten beide am Genfer Forschungsinstitut CERN. Ihre Experimente mit radioaktiven Isotopen und der Antimaterie dienen einem guten Zweck: dem kulturellen Fortschritt.
Unzählige Betongebäude erstrecken sich auf einer Fläche von 19,5 Hektaren in der Nähe des Genfer Flughafens, einem Gelände so gross wie eine kleine Stadt. Eine Tramhaltestelle befindet sich unmittelbar vor der Forschungseinrichtung CERN. Ein kuppelförmiger Holzbau fällt ins Auge. Eine Konstruktion, die so gar nicht zum Rest der modernen Wissenschaftsgebäude zu passen scheint, jedoch ebenfalls einen wichtigen Teil des Komplexes repräsentiert. Die Kuppel heisst «Globus der Wissenschaft und Innovation» und ist das Zentrum für Veranstaltungen und Ausstellungen.
Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN)
Über 2400 Menschen arbeiten gegenwärtig im CERN, doch um die 10 000 Wissenschaftler aus über 113 Ländern besuchen die Einrichtung jährlich, um dort Grundlagenforschung zu betreiben. Die bekannteste Errungenschaft des CERN ist das Internet, das Anfang der 1990er-Jahre erfunden wurde, um den Datentransfer zu erleichtern. Das derzeitige Leuchtturmprojekt ist der Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider), mit dessen Hilfe Physiker den Aufbau der Materie erforschen. Das Jahresbudget des CERN belief sich 2014 auf rund 1,1 Milliarden Franken.
In der Eingangshalle steht eine schwarzhaarige Rezeptionistin an der Theke, empfängt die Besucher und händigt ihnen ein Besucherschild aus. Erste Station des Rundgangs ist ISOLDE (Isotope Separator On Line Device), eine Forschungseinrichtung, die seit 1967 betrieben wird.
Exotische Isotope
Der Chemiker Jens Röder erzählt, was es damit auf sich hat: «Hier stellen wir exotische Isotope her. Isotope sind chemische Elemente, deren Atome eine gleiche Protonenzahl, aber eine unterschiedliche Neutronenzahl aufweisen.»
Die Neutronen sind für die Stabilität eines Kerns wichtig. Hat ein Atom zu wenig oder zu viel Neutronen in seinem Kern, ist dieser instabil und somit radioaktiv. Das heisst, er zerfällt nach einer gewissen Zeit in einen stabilen Kern, oft über Umwege, vorübergehend in andere radioaktive Kerne. Während dieses Prozesses treten zum Beispiel Elementarteilchen in Form von Gammastrahlung (siehe Kasten) in die Umwelt aus.
Die Wissenschaft kennt heute 118 chemische Elemente und über 3300 Isotope, wovon nur zirka 250 stabil sind. In ISOLDE können Isotope von verschiedenen Elementen hergestellt werden. Die Isotope sind häufig sehr kurzlebig und können nicht weit transportiert werden, weshalb eine sofortige Messung erfolgen muss.
Gestörte Winkelkorrelation
Jens Röder, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Physikalische Chemie der Technischen Hochschule Aachen in Deutschland, betreibt am CERN Grundlagenforschung. Diese Art der Forschung sucht nicht gezielt nach neuen Produkten beziehungsweise Anwendungsmöglichkeiten, sondern erschafft Elementarwissen, das zur gegebenen Zeit für weitere Forschungen eingesetzt wird, manchmal erst Jahrzehnte später. Forscher der Zukunft sollen auf dieses Wissen aufbauen können. So zum Beispiel, um eine neue Technologie zu entwickeln.
«Die Erkenntnis über Zusammenhänge ist ein langer Prozess. Wann ein nächster grosser Schritt erfolgt, ist zufällig. Wichtig ist, dass die Gesellschaft die Voraussetzungen schafft, dass dieser kommen kann. Darum ist Grundlagenforschung so wichtig, und darin sehe ich eine wertvolle Aufgabe», sagt Jens Röder.
Aktuell bearbeitet er am CERN ein Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und stützt sich dabei auf die Methode der «Gestörten Winkelkorrelation» – «Perturbed Angular Correlation» (PAC) auf Englisch.
Mit diesem Verfahren implantiert er radioaktive Isotope in einen Festkörper. Anhand deren Gamma-Ausstrahlcharakteristik kann er Kristallfelder untersuchen.
«In der PAC-Methode werden etwa 1010 bis 1012 Atome eines speziellen radioaktiven Isotops verwendet und in das zu untersuchende, häufig kristalline Material eingebracht. Die Zahlen erscheinen gross, sind aber relativ betrachtet sehr klein.» Der Forscher hält kurz inne. Seine um den Hals hängende elektronische Schlüsselkarte lässt erahnen, dass hier hinter verschlossenen Türen gearbeitet wird. «Bei einer Probe aus Eisen, die nur 0,1 Gramm wiegt und 1012 Atome unseres radioaktiven Isotops gleichmässig verteilt beinhaltet, finden wir statistisch gesehen unter einer Milliarde Atomen ein radioaktives Isotop. Diese Einheit wird parts per billion (ppb) genannt.»
Radioaktive Sonden
Das Besondere an diesen radioaktiven Isotopen, auch radioaktive Sonden genannt, ist ihre Eigenschaft, zwei kurz aufeinanderfolgende Lichtimpulse auszusenden. Ein Gerät misst die Zeitdifferenz dieser Impulse und kann eine Zeit bis zu 300 ps (1 Picosekunde = 10–12 Sekunden = eine billionstel Sekunde) aufzeichnen. Der Chemiker kann dadurch die Grösse der Änderung des elektrischen Feldes oder die Stärke des Magnetfeldes am Ort des Atomkerns in einem Kristall bestimmen. «Wir können mit der Methode die unmittelbare Umgebung eines Atoms innerhalb des Materials untersuchen. Wir nennen das die lokale Struktur», sagt Jens Röder.
Der Chemiker blickt vom Computerbildschirm hoch. In seinem Büro stehen unzählige Apparaturen auf Tischen und in Regalen, die er für seine Tests braucht.
Viele der heute verwendeten Materialien haben ihre besondere Funktion aufgrund von Defekten. So werden zum Beispiel mittels chemischer Reaktionen die Eigenschaften eines Kristalls – also seiner kristallinen Struktur – durch strukturfremde Atome anderer Elemente verändert. Die Forscher im CERN wollen im Detail verstehen, wieso.
Jens Röder untersucht zudem sogenannte Phasenänderungen, also Änderungen der Struktur eines Feststoffes beim Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Temperatur.
«Wir können durch diese Untersuchungen feststellen, in welchem Temperaturbereich eine bestimmte Funktion des Materials erhalten bleibt. Diese Forschung ist beispielsweise bei Materialien für Hitzeschilde in der Raumfahrt wichtig.»
Auf den Spuren der Antimaterie
Eine CERN-Mitarbeiterin führt als Nächstes in die «Antimateriefabrik». Nach einigen Abzweigungen ist das Bauwerk erreicht. In seinem Inneren stehen hochkomplexe Maschinen, eine davon ist der «Proton Synchrotron», der Antimaterie erzeugen kann.
Im Herbst 2002 wurden dort zum ersten Mal Antiwasserstoffatome hergestellt. Einige Jahre später, im Dezember 2010, gelang es den CERN-Forschern, insgesamt 39 Antiwasserstoffatome – jeweils nur eines oder höchstens zwei auf einmal – einzufangen beziehungsweise zu speichern. Im April 2011 erfolgte im CERN der nächste Durchbruch: Erstmals schufen die Wissenschaftler Antiwasserstoffmaterie, bestehend aus 309 Antiwasserstoffatomen.
Michael Doser, österreichischer CERN-Physiker, beteiligt sich ebenfalls an der Erforschung der Antimaterie. Er trägt ein weisses Hemd. Eine rot-schwarze Brille unterstreicht seine wissenschaftliche Autorität.
«Antimaterie wird am CERN seit Anfang der 1960er-Jahre untersucht und hat zum Beispiel zum Nachweis der W- und Z-Bosonen geführt. Oder aber zur Entwicklung von Technologien, die es in den nächsten Jahren erlauben werden, Vergleiche zwischen Materie und Antimaterie mit höchster Genauigkeit durchzuführen und somit vielleicht zu erklären, wieso im Weltall seit dem Urknall keine Antimaterie mehr vorhanden ist.»
Das Highlight im CERN ist der von den Medien vielfach erwähnte Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC). Seit April 2015 arbeitet dieser mit einer doppelt so hohen Energie wie vor zwei Jahren. Die erhöhte Energie ermöglicht es, neuartige Elementarteilchen zu entdecken und somit vielleicht zu verstehen, was die dunkle Materie, die bisher wissenschaftlich nicht nachgewiesen werden konnte, ausmacht. Das sogenannte Quark-Gluonplasma (siehe Kasten), das im Teilchenbeschleuniger bei Bleikernkollisionen für wenige Augenblicke auftaucht, erlaubt zudem ein besseres Verständnis der ersten Augenblicke des Weltalls, kurz nach dem Urknall.
«Die Untersuchungen sind noch im vollen Gange», so Michael Doser, «und wie immer werden viele Fragen aufgeworfen. Wir hoffen, einige davon in den kommenden Jahren beantworten zu können.»
360°-Panorama – Cern Control Center
Begriffserklärungen
Atom Baustein, aus dem feste, flüssige und gasförmige Stoffe bestehen; kleinste Einheit der Materie. Atome bestehen aus den Atomkernen und den Elektronen, die Elektronenhüllen um den Atomkern bilden. Ein Atom ist zirka ein Zehntel eines milliardstel Meters (10–10 Meter) gross. Sein Kern ist zirka ein Zehntausendstel bis Hunderttausendstel der Grösse eines Atoms, macht aber 99,9 Prozent seiner Masse aus.
Atomkern Bestandteil eines Atoms; besteht aus Protonen und Neutronen, die jeweils aus drei Quarks, also klitzekleinen Elementarteilchen, bestehen.
Chemische Elemente Isotope gleicher Ordnungszahl, das heisst gleicher Anzahl der Protonen im Atomkern. 118 chemische Elemente sind heute bekannt, wobei etwa 90 natürlich auf der Erde vorkommen. Sie werden in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle eingeteilt. Die meisten Elemente sind Metalle. Das Leben besteht hauptsächlich aus nur wenigen Elementen: Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Schwefel (S), Stickstoff (N) und Phosphor (P).
Isotop Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Stabile Isotope verändern diese Anzahl nicht. Elemente, die eine grössere Ordnungszahl (Anzahl an Protonen in einem Atomkern) als Blei (Ordnungszahl = 82) haben, besitzen keine stabilen Isotope. Bei instabilen Isotopen zerfällt der Kern nach einer bestimmten Zeit und wandelt sich in ein anderes Atom um. Während dieses Prozesses wird radioaktive Strahlung freigesetzt.
Gammastrahlung Eine besonders durchdringende elektromagnetische Strahlung, die beim Zerfall von radioaktiven Atomkernen entsteht. Gammastrahlung ist eine ionisierende Strahlung. Das heisst, sie ist imstande, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen. Im Gegensatz zu Alpha- und Betastrahlung kann die Gammastrahlung nicht vollständig abgeschirmt werden.
Dunkle Materie Unsichtbare Materie, die das Universum zu 26,8 Prozent ausfüllt. Diese Messergebnisse lieferte die europäische Sonde «Planck». Zudem ergaben Aufnahmen grosser Weltraumteleskope wie beispielsweise «Hubble», dass die Teilchen der dunklen Materie nicht nur über ihre Schwerkraft miteinander in Wechselwirkung treten, sondern möglicherweise auch mit den sogenannten WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) interagieren, massive Teilchen, die keine Ladung und damit kein elektrisches oder magnetisches Feld besitzen und in grosser Anzahl den Raum durchqueren. Weder die Existenz der dunklen Materie noch die der WIMP konnte bisher wissenschaftlich nachgewiesen werden.
Antimaterie Das Gegenteil von Materie. Antimaterie besteht aus negativ geladenen Protonen (Antiprotonen), positiv geladenen Elektronen (Positronen) und gegebenenfalls aus ungeladenen Antineutronen. Die künstliche Erzeugung von Antikernen wird derzeit nur am Forschungsinstitut CERN (Antiwasserstoff-Materie) und am Brookhaven National Laboratory auf Long Island in den Vereinigten Staaten (Antihelium-Materie) durchgeführt. In der Natur kommen Antiprotonen im Strahlungsgürtel der Magnetosphäre vor, wie eine internationale Forschungsgruppe 2011 anhand des sogenannten Pamela Experiments nachwies.
Quark-Gluonplasma Eine Energieform, die bei extrem hohen Temperaturen entsteht. Sämtliche Elementarteilchen bestehen aus sogenannten Quarks, die wiederum von Gluonen (Kraftteilchen) zusammengehalten werden. Die Quarks und Gluonen können sich bei der extrem hohen Hitze frei bewegen.
W- und Z-Boson Elektrisch geladenes und elektrisch neutrales Elementarteilchen. Beide Teilchen treten in eine schwache Wechselwirkung zueinander, wodurch sich keine gebundenen Zustände bilden lassen. Die beiden CERN-Physiker Carlo Rubbia und Simon van der Meer erhielten für den Nachweis der Existenz dieser Elementarteilchen 1984 den Nobelpreis.