Weltbeste Messungen am Mainzer Teilchenbeschleuniger

30. November 2021

Seit Jahrzehnten setzt das Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) Maßstäbe auf dem Gebiet der Elektronenbeschleuniger-Technologie. Seine Präzisionsexperimente in der Kern- und Elementarteilchenphysik sowie die Arbeiten seiner Theoriegruppe machen es zum prägenden Bestandteil des Exzellenzclusters PRISMA+.
 

Prof. em. Dr. Gerold Lührs schaut sich interessiert im Foyer des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) um. "Ist es hier aber vornehm", meint der 93-Jährige, als er in den Aufzug steigt. Das Gebäude wurde 2017 bezogen, alles wirkt recht aufgeräumt, frisch und neu. Es geht hinauf in den zweiten Stock in einen Besprechungsraum, dessen breite Fensterfront den Blick freigibt auf den Campus der JGU. Hier ist Lührs mit Prof. Dr. Achim Denig, dem stellvertretenden Direktor des Instituts für Kernphysik, und mit Prof. Dr. Hartmut Wittig, einem der beiden Sprecher des Exzellenzclusters PRISMA+ (Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter), verabredet. Die drei wollen von der Entwicklung der Kernphysik an der JGU berichten. Sie haben eine außergewöhnliche Geschichte zu erzählen.

"Als ich 1961 aus Heidelberg nach Mainz kam, gab es das alles noch nicht", erzählt Lührs. Das Institut für Kernphysik war gerade erst im Bau. Prof. Dr. Herwig Schopper, der spätere Direktor des Deutschen Elektronsynchrotrons DESY und des CERN in Genf, hatte es noch geplant, wechselte dann aber nach Karlsruhe. Prof. Dr. Hans Ehrenberg übernahm die Leitung des Instituts. Lührs wurde mit einer Reihe weiterer junger Physiker angeworben, um den Aufbau in Gang zu bringen. "Ich arbeitete damals gerade am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg", so Lührs. "Kernphysik war 'in', wie man heute sagt. Überall wurden Reaktoren gebaut." In Mainz musste jeder mit anpacken. "Wir begleiteten die Entwicklung des Rohbaus und kümmerten uns sogar um die Möbel, um Tische und Stühle."

1967: Linear-Elektronenbeschleuniger

Schopper hatte auch den Weg für den Erwerb eines Linear-Elektronenbeschleunigers geebnet. Dafür kooperierte er mit dem Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie. Es sollte die Anlage mit nutzen. "In haushaltsrechtlichen Belangen war das MPI flexibler, was uns sehr entgegenkam", meint Lührs. Der Beschleuniger bestand im Kern aus einem 50 Meter langen Tunnel, der elf Meter unter der Erde gegraben werden sollte. Die meisten Komponenten kamen aus Frankreich von der Compagnie générale de télégraphie sans fil. "Unsere Studenten waren am Bau beteiligt. Sie verlegten Kabel und solche Dinge." – "Es war absolut ungewöhnlich, dass solch eine große Anlage an eine Universität kam", betont Denig. "Auch, dass man Studierenden den Zugang ermöglichte, war ungewöhnlich. Der enge Kontakt mit ihnen prägte das Institut von Beginn an. Wir profitieren bis heute von dieser Konstellation."

Die Arbeiten begannen 1963, vier Jahre später folgte die offizielle Einweihung. Der Bund finanzierte das Projekt. Land und Universität sagten ihre langfristige Unterstützung zu. "Eine Grundlage für die Erfolgsgeschichte unseres Instituts ist der ungeheure Schatz an Erfahrungen, den wir im Lauf der Jahre mit dem Betrieb unserer Beschleuniger ansammelten", meint Denig. "Es entstanden hochqualifizierte Werkstätten für Feinmechanik, für Elektronik, für Beschleuniger und Vakuum."

Zu seiner Zeit ermöglichte der erste Beschleuniger durchaus konkurrenzfähige Präzisionsmessungen. Die Wissenschaftler waren allerdings bald schon nicht mehr zufrieden und brachten Verbesserungen an. "Die Energieschärfe war nicht besonders gut", nennt Lührs ein Beispiel. "Deswegen führte Ehrenberg 1972 ein energiekomprimierendes System ein, das sie entschieden steigerte." Doch mehr und mehr machten sich die konstruktionsbedingten Einschränkungen des Beschleunigers bemerkbar: Er konnte nur einen zeitlich begrenzten Elektronenstrahl erzeugen, die aktuellen kernphysikalischen Forschungen dagegen setzten auf Koinzidenzmessungen – und die waren nur bei einem kontinuierlichen Elektronenstrahl möglich.

Prof. Dr. Helmut Herminghaus, der Aufbau und Nutzung des ersten Mainzer Beschleunigers geleitet hatte, schlug eine neue Anlage vor: Er entwickelte das Konzept eines Rennbahn-Mikrotrons, bei dem der Elektronenstrahl dieselbe Strecke mehrfach durchläuft. Das sollte nahezu einen Gleichstromstrahl aus Elektronen hoher Energien für die gewünschten Messungen liefern. "Viele wollten nicht glauben, dass ein solches Mikrotron funktionieren kann", erzählt Lührs. "Wir bauten extra ein kleines Modell, um es zu demonstrieren."

1979: MAMI

Ein weiteres Problem tat sich auf: Großapparaturen wie diese wurden immer in eigene Organisationsformen eingebettet, die wie beim Hamburger DESY überregional oder beim Genfer CERN sogar international getragen wurden. Nun sollte der Bund eine Anlage finanzieren, die an einer Universität angesiedelt ist. Das gab es bisher nicht. "Man entschied, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft die Förderung übernehmen sollte, auch wenn das nicht gerade in ihr Konzept passte", meint Denig. "Das Mikrotron wurde über einen Sonderforschungsbereich finanziert, der allerdings nicht wie üblich vier, sondern zunächst nur zwei Jahre laufen sollte: Die Mainzer sollten erst mal beweisen, dass ihr Konzept funktioniert."

1979 ging MAMI, das Mainzer Mikrotron, in Betrieb. Es erfüllte alle Erwartungen. "Richtungsweisende Experimente wurden möglich", so Denig. Das Institut übernahm international eine Führungsrolle auf dem Gebiet der Beschleunigertechnologie und der kernphysikalischen Forschung. Der durchschlagende Erfolg bahnte den Weg zu Ausbaustufen: 1990 ging MAMI B in Betrieb, 2006 folgte MAMI C. Mainz festigte seinen Ruf für Präzisionsexperimente in der Kern- und Hadronenphysik. Parallel baute das Institut den Bereich der theoretischen Physik kontinuierlich aus. Herminghaus und sein Nachfolger Dr. Karl-Heinz Kaiser wurden 2018 für ihre großen Verdienste um den Auf- und Ausbau von MAMI mit der Ehrenmedaille der JGU ausgezeichnet.

"Das Engagement des Landes war für uns immer wichtig und notwendig", erklärt Wittig. "2007 wurde MAMI C offiziell eingeweiht. Damit erreichten wir in der Hadronen- und der Kernphysik höchstes Niveau. Doch nun hatten wir den Eindruck, dass sich Rheinland-Pfalz so seine Gedanken macht. Etwas salopp gesagt stand die Frage im Raum: Wie viel Beschleuniger braucht das Land?" Der Ausbau des Darmstädter GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung zu einem internationalen Beschleunigerzentrum lag an. "Es gab die Überlegung, das Engagement auf mehrere Schultern zu verteilen." Eine stärkere Verschränkung wurde angestrebt. "Das war die Geburtsstunde unseres Helmholtz-Instituts." Es ist das erste Helmholtz-Institut überhaupt, 2009 gegründet und seit 2017 mit seinem Neubau deutlich sichtbar auf dem Campus. "Letztlich erweiterte das Land sein Engagement, aber immer mit der Maßgabe, dass wir kräftig Drittmittel einwerben."

Auch das gelang: Mainz behauptete seine Eigenständigkeit und seine Führungsrolle. 2011 wurde im Zuge der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder der Exzellenzcluster PRISMA an der JGU bewilligt und 2018 als Nachfolger der Forschungsverbund PRISMA+ ebenfalls als Exzellenzcluster ausgezeichnet. "Im neuen DFG-Förderatlas stehen wir in der Physik auf Platz eins", stellt Wittig fest.

2023: MESA

Momentan entsteht aus Mitteln von PRISMA+ mit MESA (Mainz Energy-Recovering Superconducting Accelerator) ein neuer Beschleuniger auf dem Mainzer Campus. Über- wie unterirdisch entsteht ein Komplex, der die Experimentiermöglichkeiten noch mal signifikant erweitern wird. "Mit MESA werden wir unter anderem die weltbesten Messungen zur Paritätsverletzung vornehmen und nach Teilchen jenseits des Standardmodells suchen", kündigt Denig an. Es geht darum, präzise theoretische Vorhersagen mit möglichst präzise gemessenen Werten zu vergleichen. "Für uns wird es spannend, wenn wir dabei Abweichungen – also Verletzungen – feststellen", erklärt Wittig. "Denn die würden bedeuten, dass unsere Annahmen vom Universum unvollständig sind."

MESA läuft in zwei Betriebsmodi. Der Elektronenstrahl wird durch Flüssighelium in zwei Kryomodulen auf minus 271 Grad Celsius gekühlt. "Bereits vor MAMI gab es die Diskussion, ob man solch eine kalte Maschine bauen sollte, aber man schreckte vor dem Aufwand und den Kosten zurück", sagt Denig. "Energierückgewinnende Beschleuniger laufen schon in den USA", ergänzt Wittig. "Doch anders als dort nutzen wir diese innovative Technologie auch erstmals für Experimente der teilchenphysikalischen Grundlagenforschung."

Im November 2023 soll der neue Teilchenbeschleuniger in Betrieb gehen. Denig wendet sich an Lührs. "Für eine Komponente, für den Vorbeschleuniger von MESA, nutzen wir den alten Tunnel des ersten Beschleunigers. Damit schließt sich ein Kreis." Vom Besprechungsraum geht es zurück ins Foyer des Helmholtz-Insituts, wo Lührs sich verabschiedet. "Es ist immer ganz interessant hier", meint er noch, bevor er sich auf den Weg nach Hause macht.