Einführung Forschung mit Photonen

Röntgenstrahlen sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken: Seit mehr als 110 Jahren spielt die energiereiche Strahlung eine Schlüsselrolle in Medizin und Materialwissenschaften, aber auch in der Grundlagenforschung. Dabei hat die rasante Verbesserung der Röntgenquellen immer mehr neue Anwendungsbereiche eröffnet und ungeahnte Forschungsfelder erschlossen. Mittlerweile nutzen Wissenschaftler auf der ganzen Welt das intensive Licht aus Teilchenbeschleunigern für ihre Experimente. Mit seiner einzigartigen Vielfalt von Lichtquellen ist das Forschungszentrum DESY ganz vorne mit dabei.

Lichtblitze für die Forschung

Seit dem ersten Einsatz von Teilchenbeschleunigern als Synchrotronstrahlungsquellen in den 1960er Jahren wurden auf dem Gebiet enorme Fortschritte gemacht, vor allem durch die Verbesserung der Elektronenspeicherringanlagen: Alle zehn Jahre erhöhte sich die Brillanz der verfügbaren Lichtquellen um das Tausendfache! Die immer höhere Qualität der Röntgenstrahlen eröffnete den Wissenschaftlern völlig neue Forschungsmöglichkeiten, zum Beispiel in Bereichen wie den Umweltwissenschaften oder sogar der Archäometrie, der Untersuchung archäologischer Funde mit naturwissenschaftlichen Methoden.

Vorreiter DESY

DESY war von Anfang an einer der Vorreiter dieser überaus spannenden Entwicklungen. An den DESY-Beschleunigern wurden bahnbrechende Experimente durchgeführt – zum Beispiel der erste Einsatz der Synchrotronstrahlung in der Biologie 1971, die ersten Messungen von Mößbauer-Spektren mit Synchrotronstrahlung 1984, die erste direkte Messung von Phononen mit Röntgenstrahlen 1986 und die ersten Untersuchungen des Magnetismus mit Hilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie 1987. Die meisten Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit universitären Gruppen durchgeführt, und auch für das überaus erfolgreiche Konzept der Außenstationen großer Forschungseinrichtungen – wie des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) – an den Synchrotronstrahlungsquellen wurde bei DESY der Grundstein gelegt. Mehr als 2000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt nutzen jährlich die Lichtquellen bei DESY für die Forschung mit Photonen.

Licht der Zukunft

Moderne Synchrotronstrahlungsanlagen werden eine entscheidende Rolle in der Nanoforschung und Nanotechnologie spielen, da sie nanometergroße, durchstimmbare und intensive Röntgenstrahlen mit einem hohen Grad an Kohärenz liefern. Im Jahr 2009 ging die neue Speicherringanlage PETRA III bei DESY in Betrieb, die weltbeste Synchrotronstrahlungsquelle im Bereich der harten Röntgenstrahlung. Schon in der ersten Phase konnten die Nutzer äußerst vielversprechende Experimente durchführen. Bis Ende 2011 werden alle Strahlführungen an PETRA III in Betrieb sein. In Verbindung mit dem Speicherring DORIS III, der für Experimente mit hohem Photonenfluss besonders geeignet ist und PETRA III somit hervorragend ergänzt, steht der nationalen und internationalen Nutzergemeinschaft bei DESY damit eine einzigartige Kombination von Synchrotronstrahlungsanlagen zur Verfügung.

Mit den heutigen Lichtquellen lassen sich vor allem Gleichgewichtszustände der Materie untersuchen. Doch die Forscher träumen davon, physikalische oder biologische Systeme „bei der Arbeit“ beobachten zu können, also von statischen Bildern zu richtigen Filmen überzugehen. Dafür sind die von den Speicherringen erzeugten Röntgenblitze jedoch zu schwach und vor allem zu lang im Vergleich zu den Zeitskalen, auf denen sich die Prozesse in der Natur abspielen. Die Art von Strahlung, die für solche zeitaufgelösten Beobachtungen notwendig ist, kann nur von neuartigen Röntgenquellen erzeugt werden: Röntgenlaser mit linearen Teilchenbeschleunigern werden dieses Ziel erreichen. Auch hier ist DESY einer der Vorreiter der aktuellen Entwicklungen.

Seit 2005 steht bei DESY der einzigartige Freie-Elektronen-Laser im weichen Röntgenbereich FLASH zur Verfügung. Bereits während der ersten Messperioden konnten bahnbrechende Ergebnisse erzielt werden, die jetzt schon Maßstäbe setzen. Die Vielzahl der bisher veröffentlichten, international vielbeachteten Forschungsergebnisse belegt den starken Einfluss von FLASH auf die Forschung mit Photonen weltweit. Ab 2011 ist eine Erweiterung der Anlage um eine zweite Tunnelstrecke und eine zweite Experimentierhalle geplant, FLASH II. Damit lässt sich die Nutzerkapazität der Anlage mehr als verdoppeln und der großen Nachfrage gerecht werden.

Ab 2014 folgt die Inbetriebnahme des Röntgenlasers European XFEL, der unter der Federführung von DESY entwickelt und vorbereitet wurde. Aufgrund seiner einzigartigen Verbindung von extremer Spitzenbrillanz mit sehr hoher mittlerer Brillanz wird der European XFEL in den verschiedensten Bereichen Neuland erschließen und es erlauben, spannende naturwissenschaftliche Fragestellungen zum ersten Mal zu erforschen, obwohl ähnliche Anlagen in Japan und den USA etwas früher in Betrieb gehen. Ein weiterer entscheidender Vorteil im Vergleich zur Konkurrenz ist der laufende Betrieb und die erfolgreiche Nutzung von FLASH, dem Prototypen für den European XFEL. Denn so ist garantiert, dass die Nutzergemeinschaft des European XFEL optimal auf die Forschung mit dem neuen Röntgenlaser vorbereitet ist.

Kooperationen für exzellente Forschung

Zu diesen einmaligen Anlagen kommen verschiedene Kooperationen, die den Spitzenplatz von DESY in der Forschung mit Photonen weiter ausbauen. Das „Center for Free-Electron Laser Science“ (CFEL) ist ein europaweit einmaliges Kompetenzzentrum für Forschung an und mit Lichtquellen der nächsten Generation. Über Fach- und Institutsgrenzen hinweg wird hier das Potenzial der neuen Freie-Elektronen-Laser ausgelotet. Das CFEL-Team von mehr als 70 Wissenschaftlern forscht erfolgreich an FLASH und dem Röntgenlaser LCLS in Kalifornien und produziert Ergebnisse der Spitzenklasse.

Zudem entsteht auf dem DESY-Campus in Hamburg das interdisziplinäre „Centre for Structural Systems Biology“ (CSSB). Mit Hilfe der DESY-Lichtquellen werden Infektionsforscher und Physiker am CSSB die Angriffe von Krankheitserregern atomgenau untersuchen und die molekularen Grundlagen von Krankheiten mit extrem hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung analysieren.

Als neue Einrichtung für naturwissenschaftliche Kompetenz wird die „Partnership for Innovation, Education and Research“ (PIER), eine Kooperation mit der Universität Hamburg, zu einem Kristallisationspunkt für exzellente Forschung in den Feldern Teilchen- und Astroteilchenphysik, Nanowissenschaften, Forschung mit Photonen sowie Infektions- und Strukturbiologie im Norden werden.