Anfang der 1990er Jahre begannen bei DESY gemeinsam mit internationalen Partnern Entwicklungsarbeiten für eine bahnbrechende supraleitende Beschleunigertechnologie. Das Konzept war so erfolgreich, dass es bei der Technologieauswahl für das Zukunftsprojekt der Teilchenphysik, den Linearbeschleuniger ILC, das Rennen machte. Es ist gleichzeitig ideal für den Betrieb von Freie-Elektronen-Lasern im Röntgenbereich geeignet. Als einer der Hauptakteure spielt DESY bei der Weiterentwicklung der supraleitenden TESLA-Technologie eine zentrale Rolle.

Das TESLA-Projekt

Vor knapp 20 Jahren starteten weltweit Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für die nächste große Anlage für die Teilchenphysik: einen Linearbeschleuniger, der in der Lage sein soll, Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, bei Energien von 500 bis 1000 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV) zum Zusammenstoß zu bringen. Unter der Federführung von DESY entwickelte die internationale TESLA Collaboration dazu ein Konzept, das auf supraleitende, aus dem Metall Niob gefertigte Resonatoren setzt. Diese supraleitende Technologie bietet bei der Beschleunigung der Teilchen entscheidende Vorteile – sie bedeutete allerdings gleichzeitig einen enormen Vorstoß in technologisches Neuland.

Damit unterschied sich das TESLA-Projekt deutlich von anderen Konkurrenzprojekten, bei denen Beschleunigungsstrecken in herkömmlicher, normalleitender Technologie zum Einsatz kommen sollten. Im Zuge der Entwicklungsarbeiten für TESLA stellte sich außerdem heraus, dass ein solcher supraleitender Linearbeschleuniger sich optimal als Treiber für einen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich eignet. TESLA wurde deshalb als kombinierte Anlage geplant, die einen Linearcollider für die Teilchenphysik und einen integrierten Röntgenlaser für die Forschung mit Photonen beinhaltete.

Pionierarbeiten für TESLA

Um die Zukunftstechnologie für TESLA unter realistischen Bedingungen zu erproben, baute die TESLA Collaboration bei DESY einen funktionsfähigen Testbeschleuniger auf, an dem alle für den Betrieb eines supraleitenden Linearbeschleunigers notwendigen Komponenten getestet werden konnten: die 100 Meter lange TESLA-Testanlage TTF. Der fliegende Start der Anlage 1997 bestätigte den Erfolg der Entwicklungsarbeiten. Auf Anhieb übertrafen die ersten acht supraleitenden Niob-Resonatoren die ursprünglich vorgesehene Beschleunigungsfeldstärke von 15 Megavolt pro Meter (MV/m) – eine Weltpremiere und ein entscheidender Fortschritt, denn zu Beginn der Entwicklungsarbeiten erreichten supraleitende Resonatoren im Strahlbetrieb allenfalls 5 bis 8 MV/m. Bis heute konnte dieser Wert nochmals auf über das Doppelte gesteigert werden. Damit konnte die TESLA Collaboration die technische Machbarkeit eines supraleitenden Elektron-Positron-Linearbeschleunigers klar belegen.

Im nächsten Schritt demonstrierte das TTF-Team, dass auch der zweite Teil des TESLA-Projekts, der supraleitende Röntgenlaser, tatsächlich realisierbar ist. Der Beweis gelang Anfang 2000, als die zum Freie-Elektronen-Laser umgebaute Anlage erstmals Laserlichtblitze mit Wellenlängen unter 100 Nanometern erzeugte. Nachdem sie ihre Mission somit glänzend erfüllt hatte, wurde die Anlage zu FLASH, dem weltweit ersten Freie-Elektronen-Laser im weichen Röntgenbereich, ausgebaut. Seit 2005 steht sie Wissenschaftlern aus aller Welt für ihre Experimente zur Verfügung.

Von TESLA zu European XFEL und ILC

Als Anfang 2003 die Entscheidung des Bundesforschungsministeriums anstand, fiel sie für den Röntgenlaser-Teil des TESLA-Projekts überaus positiv aus: Der Röntgenlaser wurde als eigenständige europäische Einrichtung im Grundsatz genehmigt; für den Linearcollider sollten dagegen erst die globalen Entwicklungen abgewartet werden. Faktisch wurden damit beide Projekte getrennt: Der Röntgenlaser wird unter dem Namen European XFEL mit starker Beteiligung von DESY in Hamburg und Schleswig-Holstein realisiert; die Verantwortung für das Linearcolliderprojekt verschobsich auf das internationale Parkett.

Nach Begutachtung der verschiedenen eingereichten Beschleunigerkonzepte, unter ihnen auch TESLA, beschloss die zuständige internationale Kommission im Sommer 2004: Der zukünftige Linearbeschleuniger – nun offiziell als International Linear Collider ILC bezeichnet – wird in der von DESY und seinen Partnern entwickelten TESLA-Technologie realisiert. Seither laufen die Entwicklungs- und Planungsarbeiten für den ILC in weltweiter Zusammenarbeit auf Hochtouren. Über 2000 Wissenschaftler aus über 25 Ländern sind mittlerweile daran beteiligt. Als Experten auf dem Gebiet der supraleitenden Beschleunigertechnologie tragen DESY und seine internationalen Partner der – mittlerweile umbenannten – TESLA Technology Collaboration maßgeblich dazu bei.