Die Hadron-Elektron-Ring-Anlage HERA war der größte Teilchenbeschleuniger bei DESY und zugleich Deutschlands größtes Forschungsinstrument: ein riesiges Super-Elektronenmikroskop, das den Physikern den weltweit schärfsten Blick ins Proton eröffnete. Der Beschleuniger selbst ist mittlerweile stillgelegt – doch die Datenauswertung der HERA-Experimente H1, ZEUS und HERMES läuft weiterhin auf Hochtouren.

Teilchenphysik an HERA

Fünfzehn Jahre lang prallten in dem kreisrunden Teilchenbeschleuniger tief im Hamburger Untergrund Elektronen und Protonen bei höchsten Energien aufeinander. Im Sommer 2007 wurde der Forschungsbetrieb beendet und HERA abgeschaltet. Die Auswertung der aufgezeichneten Daten ist jedoch weiterhin in vollem Gang. Es bleibt also spannend, denn was die HERA-Physiker nun vervollkommnen, ist ein umfassendes Gesamtbild des Protons und der darin wirkenden Kräfte – in einer Präzision, die über Jahre hinweg von keinem Beschleuniger der Welt übertroffen werden kann.

Präzisionsmaschine HERA

Der Speicherring HERA bei DESY war der einzige Beschleuniger weltweit, in dem zwei unterschiedliche Teilchensorten getrennt beschleunigt und zum Zusammenstoß gebracht wurden. In einem 6,3 Kilometer langen Tunnel tief unter Hamburg kollidierten die leichten Elektronen – bzw. ihre Antiteilchen, die Positronen – mit den fast 2000-mal schwereren Wasserstoffkerne, die Protonen aus der Familie der Hadronen. In solchen Elektron-Proton-Kollisionen wirkt das punktförmige Elektron wie eine winzige Sonde, die das Innere des Protons abtastet und sichtbar macht. Je höher die Energie beim Zusammenstoß der Teilchen ist, desto tiefer können die Physiker in das Proton hineinblicken, desto schärfer können sie die Details erkennen. Daher auch die Bezeichnung „Super-Elektronenmikroskop“: Dank der hochpräzisen „Elektronen-Sonden“ von HERA können die Teilchenphysiker den inneren Aufbau des Protons und die fundamentalen Naturkräfte genau erforschen.

HERAs scharfe Augen

Vier große unterirdische Hallen gibt es am HERA-Speicherring – in jeder Himmelsrichtung eine. Sieben Stockwerke tief unter der Erde standen hier die Detektoren, mit denen die internationalen Forscherteams die kleinsten Bausteine der Materie untersuchten. 1992 gingen die ersten zwei Experimente an HERA in Betrieb: H1 in der HERA-Halle Nord und ZEUS im Süden. Beide Experimente beobachteten die hochenergetischen Zusammenstöße von Elektronen und Protonen, die Aufschluss über das Innenleben des Protons und die Grundkräfte der Natur geben. In der Halle Ost stand seit 1995 das Experiment HERMES, das den Elektronenstrahl von HERA benutzte, um dem Eigendrehimpuls – dem Spin – der Protonen und Neutronen auf die Spur zu kommen. Im Westen der Anlage machte sich HERA-B von 1999 bis 2003 den Protonenstrahl des Speicherrings zunutze, um die physikalischen Geheimnisse schwerer Quarks zu lüften.

Einzigartige Einsichten

Bis Mitte 2007 waren die haushohen Nachweisgeräte in Betrieb und haben riesige Datenmengen aufgezeichnet. In dieser Zeit haben viele der mit HERA gewonnenen Erkenntnisse Eingang in die Lehrbücher gefunden. Heute gehören sie zum Grundlagenwissen über den Aufbau unserer Welt. Doch damit ist noch lange nicht Schluss. Zwar ist die aktive Datennahme beendet, doch die HERA-Experimente laufen weiter: Die Auswertung der aufgezeichneten Messdaten wird bis weit über 2010 hinaus einzigartige Einsichten in das Innenleben des Protons und die Natur der fundamentalen Kräfte liefern.

Mit ihren Ergebnissen haben die HERA-Physiker den Theoretikern den Ball wieder zugespielt – nun sind sie am Zug, ihre Modellrechnungen zu verfeinern oder zu verändern, um die von HERA gewonnenen Erkenntnisse zu erklären und in die Teilchentheorie einzufügen. Von Anfang an haben die HERA-Ergebnisse die Theorie enorm stimuliert, und insbesondere im Bereich der Quantenchromodynamik ist daraus eine sehr intensive, fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experimenten entstanden. Das von den HERA-Experimenten ermittelte Bild des Protons und der Naturkräfte stellt damit die grundlegende Basis nicht nur für zahlreiche zukünftige Teilchenphysikexperimente, sondern auch für eine Vielzahl von aktuellen Entwicklungen der theoretischen Teilchenphysik dar.