In der Teilchenphysik untersuchen Forscherinnen und Forscher die grundlegenden Bausteine unseres Universums sowie deren Wechselwirkungen. Teilchenbeschleuniger und -detektoren wie am CERN in der Schweiz, FAIR in Deutschland und SuperKEKB in Japan spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie ermöglichen es, Zustände wie kurz nach dem Urknall zu erzeugen: Kleinste Teilchen werden dazu auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gezielt zur Kollision gebracht. Diese Kollisionen erzeugen wiederum neue Teilchen, die von hochsensiblen Detektoren erfasst und analysiert werden.
Die so gewonnenen Daten geben Aufschluss darüber, wie wir und unsere Umgebung aufgebaut sind. Sie können erklären, was unsere Welt im Innersten zusammenhält. Der Erkenntnisgewinn ist so fundamental, dass er Wirtschaft und Gesellschaft völlig neue Chancen eröffnet. So konnte unter anderem das Higgs-Boson entdeckt werden, welches jeglicher Materie ihre Masse verleiht.
Jetzt erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Natur der sogenannten Dunklen Materie. Zudem suchen sie nach Anzeichen für die Existenz weiterer Teilchen und Kräfte. Im Alltag sind Teilchenbeschleuniger auch Werkzeuge für die medizinische Forschung beispielsweise in der Krebstherapie – energiereiche Teilchenstrahlen zerstören gezielt Tumore.
Die optimierte Zukunft
Neben der Erforschung der grundlegenden Bausteine unserer Natur ermöglichen Beschleuniger, wie PETRA III, BESSY II oder European XFEL, Materialien des Alltags und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Wir nutzen deren extrem helle Röntgenstrahlung, um das Material von Flugzeugturbinen, Halbleitern für Mikrochips oder auch lebenswichtigen Proteinen zu erforschen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sammeln so Wissen über den Aufbau und die Zusammensetzung unterschiedlicher Materialien, ihre Struktur, ihre Funktion und Wechselwirkungen.
Biomolekülen oder Katalysatoren können wir dank innovativer Messmethoden beispielsweise praktisch bei der Arbeit zusehen. Die Messmethoden kommen neben der Physik in zahlreichen weiteren Fachbereichen zum Tragen: von Chemie, Geowissenschaften, Material- und Werkstoffwissenschaften über Lebenswissenschaften und Medizin bis hin zu Archäologie und Kunstgeschichte. Der Pharmaindustrie helfen solche Methoden etwa bei der systematischen Suche nach neuen Arzneimitteln. In der Materialforschung kann das Innere technischer Objekte wie Akkus oder Festplatten im Betrieb untersucht werden. Zusätzlich zu der hochenergetischen Röntgenstrahlung an Beschleunigern nutzen Forschende Neutronenquellen und Quellen geladener Teilchen wie FAIR oder IBC um die Materie zu erforschen. Photonen und Neutronen werden insbesondere zur Analyse von Materialien und Oberflächen genutzt. Sollen Materialien hingegen verändert oder veredelt werden, wird oft Strahlung aus elektrisch geladenen Teilchen eingesetzt.
Extreme Bedingungen fördern innovative Methoden
Höchste Präzision, unvorstellbare Datenmengen und extreme Einsatzbedingungen erfordern technische Lösungen an der Grenze des Machbaren - und verschieben diese dadurch regelmäßig. Als Forschungsinfrastrukturen sind Großgeräte zur Erforschung von Teilchen und Kondensierte Materie sind hochkomplexe und einzigartige Anlagen, die für ganz bestimmte wissenschaftliche Fragen oder Methoden konzipiert wurden. Deshalb gleicht kein Großgerät dem Anderen und sie liefern jeweils ganz einzigartige wissenschaftliche Einblicke.
Die bei Entwicklung, Bau und Betrieb solcher Großgeräte entwickelten Innovationen lassen sich im Anschluss auf viele Bereiche übertragen. Die neuen Erkenntnisse, verändern beispielsweise die Informationsverarbeitung oder Medizin - und prägen schließlich sogar unseren Alltag. Ein eindrucksvolles Beispiel für die Tragweite dieser Innovationen ist die Entwicklung des World Wide Web am CERN.
Wertschöpfung und Wettbewerbsfähigkeit
Durch die kontinuierliche Investition in Großgeräte sichert das BMBF nachhaltig die Wettbewerbsfähigkeit und technologische Souveränität von Deutschland und Europa und erhöht so gleichzeitig die Wertschöpfung. Forschungsinfrastrukturen sind Orte des wissenschaftlichen Austauschs, sind Inkubatoren für neue Ideen und stärken die internationale Zusammenarbeit. Nicht zuletzt bietet die Erforschung von Teilchen und Materie viele spannende und zukunftsorientierte berufliche Perspektiven.
Das Bundesforschungsministerium schafft die Voraussetzungen für naturwissenschaftliche Grundlagenforschung auf höchstem Niveau und gestaltet gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern die Landschaft der Großgeräte. Dies sichert den Forscherinnen und Forschern in Deutschland den Zugang zu weltweit führenden Großgeräten. Das Rahmenprogramm ErUM (Erforschung von Universum und Materie) des BMBF setzt hierzu den thematischen und strategischen Rahmen.
Mit gezielter Projektförderung ermöglicht das BMBF insbesondere jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, innovative Experimente und Apparaturen für die Großgeräte zu entwickeln. Dadurch wird es möglich, diese Geräte international wettbewerbsfähig zu halten, neue grundlegende Erkenntnisse zu gewinnen und so einen wichtigen Beitrag zur Zukunftsvorsorge zu leisten. Die Projektförderung spannt dabei einen weiten Bogen von der wissenschaftlichen Qualifizierung junger Menschen bis hin zu nobelpreiswürdigen Forschungsarbeiten.
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FrageFrage: 1von 7
Teilchenforschung hat das Ziel, die kleinsten Bausteine der Materie zu untersuchen.
Redaktionsschluss dieses Textes: 01.11.2024