Bauen diese Teilchenphysiker nicht Replikatoren? Das ist doch bloß Science-Fiction!

Ein sehr interessantes Gerät an Bord des aus Fernsehserien bekannten ''Raumschiffs Enterprise'' ist der Replikator: Eine Maschine, die aus purer Energie beliebige Materie herstellen kann, sei es einen Stein oder ein Glas Earl Grey Tee. Man könnte auch ''Strom-zu-Materie'' Wandler als Begriff für diese fiktiven Apparate verwenden - aber auch auf die Teilchenbeschleuniger der modernen Physik trifft diese Bezeichnung in gewisser Weise zu.

Diese Beschleuniger sind Maschinen, bei denen kleine geladene Teilchen beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Wie die Quantenfeldtheorie, die Synthese von Quantenmechanik und Spezieller Relativitätstheorie, erklärt, können bei solchen Kollisionen neue Teilchen entstehen - Einsteins berühmte Formel ''E=mc²'' kommt ins Spiel. Sogar das ''Bestellen'' von bestimmten Teilchen ist in gewisser Weise möglich. Ganze Experimente (wie zum Beispiel Belle in Japan) sind darauf ausgerichtet, dass durch geeignete Wahl der Impulse der kollidierenden Partikel sehr viele Exemplare einer bestimmten Teilchenart erzeugt werden können.

Aber natürlich sind wir von den Zuständen der Fiktion weit entfernt - der ''sichtbare'' Nutzen der Teilchenphysik liegt in anderen Gebieten.

Wissensgewinn

Das Hauptziel ist natürlich ein wissenschaftliches: Wir wollen besser verstehen, wie unsere Umwelt denn eigentlich genau funktioniert. Natürlich kann man durch bloßes Hinsehen schon viel lernen - aber was ist, wenn wir genauer hinsehen? Verstehen wir die Details?

Elektrizität zum Beispiel wurde Jahrhundertelang untersucht, bevor irgendeine für die Gesellschaft sinnvolle Erfindung entstand. Aber eine in den Details brauchbare Beschreibung der Leitfähigkeit von Metallen kennen wir überhaupt erst seit der Entstehung der Quantenmechnik in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Seit damals kennen wir die berühmte ''Bandstruktur'' in Festkörpern - und mit einem Mal war die Entwicklung des Halbleitertransistors möglich, wie er heute in sämtlichen Mikrochips verwendet wird. Solche bahnbrechenden Erfindungen können nicht ''geplant'' werden. Sie sind ein Produkt des gesammelten Wissens der Menschheit.

Neuartige Methoden der Krebsbehandlung

Ganz konkret hat die Beschleunigertechnologie, wie sie in der Hochenergiephysik angewandt wird, bereits neue Möglichkeiten der Medizintechnik aufgeworfen. Bei den seit langem gängigen Methoden der Strahlentherapie von Krebspatienten wird versucht, die Krebszellen mit Hilfe von sogenannten Photonen (Lichtteilchen) zu schädigen. Diese Methode ist für die meisten Anwendungen hervorragend, allerdings hat sie den Nachteil, dass Photonen jegliches Gewebe durchdringen. Somit wird nicht nur der Tumor, sondern auch gesundes Gewebe in Mitleidenschaft gezogen. Bei manchen Erkrankungen übersteigt dieser Schaden den Nutzen.

Bei Hadron- oder Partikeltherapie wird hingegen ein kleiner Teilchenbeschleuniger verwendet, um zum Beispiel Protonen oder Kohlenstoffkerne zu beschleunigen und auf den Tumor zu schießen. Der Vorteil dieser Methode ist es, dass diese Teilchen von Materie nur sehr wenig abgebremst werden - bis sie in einer sehr genau bestimmbaren Tiefe praktisch stecken bleiben und dort die Tumorzellen zerstören können.

Erste Anlagen dieser Art sind in Deutschland bereits in Betrieb. In Österreich wird in engster Zusammenarbeit mit Technikern des CERN bei Wiener Neustadt das ''MedAustron'' errichtet, eine mit modernster Technik ausgestattete Anlage zur Hadrontherapie. Sofern keine Budgetprobleme auftreten, wird diese Anlage 2014 in Betrieb gehen und dabei helfen, bisher unbehandelbare Tumorarten zu bekämpfen - und die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich geht am CERN unvermindert weiter.

Nachweismethoden wie der PET Scan

Eine weitere, medizinische Anwendung der Teilchenphysik, diesmal der Konstruktion von großen Nachweisgeräten wie dem CMS Experiment, ist der PET Scan.

1928 postulierte der theoretische Physiker Paul Dirac ein ''Schwesterteilchen'' des Elektrons - das Positron, den ersten Vertreter der Antimaterie. Diese Vorhersage konnte rasch bestätigt werden und das Wissen über Antimaterie wuchs rasant. Beginnend in den 1950er Jahren tauchte eine interessante Idee auf: Wenn man es schaffen könnte, im Körper eines Patienten solche Positronen zu erzeugen, so würden sie nach kürzester Zeit auf ein der unzählig vorhandenen Elektronen treffen und genau zwei Photonen erzeugen. Dies stellt ein zwar sehr schwaches, aber dafür extrem genau bestimmbares Lichtsignal dar. Wenn man in der Lage wäre, diese Photonen gut genug nachzuweisen, dann könnte man auf diese Weise ein detailliertes Bild von unzugänglichem Gewebe machen.

Der Nachweis von Photonen ist eine der Hauptaufgaben der großen Detektoren der Teilchenphysik. Szintillatorkristalle liefern die nötigen Signale - auch beim PET-Scan. Mit Hilfe dieser Methode können unter anderem Tumorzellen gefunden werden, aber auch Depression kann nachgewiesen werden, da sie die Gehirnaktivität verändert.

Am CERN wird, auf die Erfahrung beim Bau der großen Experimente aufbauend, ständig an Weiterentwicklungen der benötigten Geräte und Komponenten gearbeitet. Unter anderem haben Doktorarbeiten von österreichischen Studenten am CERN in diesem Gebiet wertvolle Beiträge zur Verbesserung von bildgebenden Verfahren geleistet.

Ausbildung und Wissenstransfer nach Österreich

Eines der ganz großen Themen des CERN ist die Ausbildung von jungen Wissenschaftlern. Studenten aus allen Mitgliedsstaaten haben jedes Jahr die Möglichkeit direkt und erster Hand die neuesten Entwicklungen zu sehen und mitzuerleben. Vielleicht sogar mitzuwirken - im Rahmen von Sommerstudentenprogrammen, Diplom- und Doktorarbeiten eröffnen sich viele Möglichkeiten zur Mitarbeit.

Dank des Einsatzes des damaligen Wissenschaftsministers und der am CERN beteiligten österreichischen Physiker wurde 1995 ein spezielles Doktorandenprogramm für österreichische Studenten ins Leben gerufen, das inzwischen von anderen Ländern kopiert wird. Seit damals wurden rund 150 Dissertationen fertig gestellt und zwar quer durch alle technischen Bereiche, die der CERN zu bieten hat.

Diese in direkter Zusammenarbeit mit den führenden Experten der Welt erworbenen Erfahrungen und Fähigkeiten sind in all den Jahren wieder zurück nach Österreich geflossen und stellen einen intellektuellen Technologietransfer auf höchstem Niveau dar.

Wirtschaftskontakte

Während der rund zehnjährigen Konstruktion des LHC wurden Aufträge von ca. 73 Millionen Euro an österreichische Firmen vergeben, was rund 70 Prozent der österreichischen Aufwendungen entspricht und damit auf einer Höhe mit den Erfolgen der Bundesrepublik Deutschland liegt.

Außerdem erhöhen Aufträge von solch renommierten Stellen auch das Prestige und die Konkurrenzfähigkeit der Beteiligten beträchtlich. In den letzten Jahren wurden von mehreren unabhängigen Untersuchungen berechnet, dass für jeden Euro, der direkt vom CERN bezahlt wurde, die jeweiligen Firmen im Durchschnitt drei weitere aus Folgeaufträgen erhalten haben, die sonst an Konkurrenten vergeben worden wären.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Österreich in den letzten Jahren und Jahrzehnten enorm wichtige Beiträge zu der internationalen Kooperation des CERN geleistet und umgekehrt sehr von der Mitgliedschaft profitiert hat.

Sehen Sie sich doch auch unser kleines Video an, das versucht auf die Frage "Was habe ich davon?" einzugehen!