Helmholtz-Gemeinschaft
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Forschungsbereich Materie

Im Helmholtz-Forschungsbereich „Materie“ werden die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte in ganz unterschiedlichen Größenordnungen erforscht, von Elementarteilchen bis zu Strukturen im Universum.

Aufgabe

Forschungsgegenstand sind die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte, von Elementarteilchen über komplexe Funktionsmaterialien bis zu den gigantischen Objekten und Strukturen im Universum.

ZoomMit dem Großexperiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) soll die Masse von Neutrinos bestimmt werden. Bild: KATRIN/KIT
Mit dem Großexperiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) soll die Masse von Neutrinos bestimmt werden. Bild: KATRIN/KIT

Eine wichtige Aufgabe ist dabei die Entwicklung, der Aufbau und der Betrieb von wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen. Ob Teilchenbeschleuniger für Synchrotron-, Neutronen- oder Ionen-Anlagen, Detektor- oder Datennahmesysteme - die Helmholtz-Gemeinschaft stellt in diesem Forschungsbereich große, teilweise einzigartige Infrastrukturen zur Verfügung, die von Forschern aus dem In- und Ausland genutzt werden. Mit dem European XFEL, dem Röntgenlaser am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, der in europäischer Zusammenarbeit aufgebaut wird, und der "Facility for Antiproton and Ion Research FAIR", die an der GSI - Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt mit internationaler Beteiligung errichtet wird, entstehen in Deutschland erstmals zwei internationale Forschungsinfrastrukturen. In den Helmholtz-Allianzen "Physik an der Teraskala", "Extreme Dichten und Temperaturen - Kosmische Materie im Labor" und "Astroteilchenphysik" kommen die Kompetenzen aus Helmholtz-Zentren, Universitäten und Max-Planck-Instituten zusammen. Die Vernetzung mit Universitäten und Forschungszentren aus dem In- und Ausland wird über weitere Forschungsplattformen wie beispielsweise dem "Center for Free-Electron Laser Science" (CFEL) verstärkt.

Ausblick

Der Forschungsbereich besteht aus drei Forschungsprogrammen: Im Programm "Materie und Universum" werden alle grundlagen-orientierten Disziplinen - Teilchen- und Astroteilchenphysik, Physik der Hadronen und Kerne sowie Atom- und Plasmaphysik - zusammengeführt. Das zweite Programm "Von Materie zu Materialien und Leben" ist stark an die wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen des Forschungsbereichs gekoppelt, die einer internationalen Nutzerschaft aus Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Medizin zur Verfügung stehen. Es fasst dabei die Eigenforschung der Helmholtz-Zentren zusammen, um neue Materialien und Wirkstoffe zu entwickeln sowie Phänomene in kondensierter Materie, elektromagnetischen Plasmen und in biologischen Systemen zu untersuchen. In dem dritten Programm "Materie und Technologien" geht es um die Entwicklung neuer technologischer Konzepte auf den Gebieten der Teilchenbeschleunigung und Detektorsysteme und der Weiterentwicklung von High Performance Computing- und Datenspeicherung. Ziel der für die dritte Programmperiuode geltenden Neuordnung des Forschungsbereichs ist es, Synergieeffekte zu verstärken und grundlegende Technologien für die Welt von morgen zu entwickeln.

Die Programmstruktur in der Förderperiode 2015-2019

Im Forschungsbereich Materie wirken sieben Helmholtz-Zentren zusammen: das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY, das Forschungszentrum Jülich, die GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Außerdem sind zwei Helmholtz-Insitute beteiligt: das HI Mainz und das HI Jena.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten in drei Programmen:

Forschungsprogramme


Matter and Technologies

Der Forschungsbereich „Materie“ beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen der Naturwissenschaft zum Ursprung und zur Beschaffenheit von Materie. Mit Hilfe großer Forschungsinfrastrukturen wie Beschleunigern, Strahlungsquellen und Detektoren gehen die Wissenschaftler des Forschungsbereichs diesen Fragen nach.


Matter and the Universe

Die Eigenschaften der kleinsten subatomaren Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen bestimmen die Eigenschaften der Materie und des Universums. Grundlegende Erkenntnisse zur Struktur der Materie wurden sowohl mit den Methoden der Kern- und Elementarteilchenphysik gewonnen als auch durch Beobachtungen und Messungen der Astroteilchenphysik an den Schnittstellen von Kern- und Teilchenphysik, Astronomie, Astrophysik und Kosmologie.


From Matter to Materials and Life

Im Programm „From Matter to Materials and Life” (MML), vormals „Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen“ (PNI), nutzen die Forscher wissenschaftliche Großgeräte und große Forschungsinfrastrukturen, um die Struktur, Dynamik und Funktion von Materie und Materialen zu erforschen, die nicht mit konventionellen Laborinstrumenten zugänglich sind.

Einblicke in den Forschungsbereich Materie

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Icecube findet erste energiereiche Neutrinos aus dem Kosmos

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Die IceCube-Daten werden in der ant arktischen Station (links) nicht nur gesammelt, sondern wegen der beschränkten Übertragungskapazität bereits gefiltert und orausgewertet. Ein ochenergetisches Neutrino-Ereignis wird als 3D-Grafik dargestellt (rechts). Bild: IceCube/NSF

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Seit seiner Fertigstellung im Jahr 2010 nimmt IceCube, der größte Teilchendetektor der Welt, Daten, und bereits seine ersten Ergebnisse taugen dazu, einen neuen Zweig der Astronomie zu begründen.

IceCube besteht aus über 5000 hochempfindlichen Lichtsensoren, die Wissenschaftler in sechs Jahren Bauzeit bis zu 2,5 Kilometer tief ins ewige Eis der Antarktis herabgelassen hatten, um mit ihnen einen ganzen Kubikkilometer antarktisches Eis auszuspähen. Sie vermessen äußerst schwache Lichtblitze, die sehr seltene Kollisionen von Neutrinos mit dem antarktischen Eis erzeugen. Ziel des Experiments ist es, die fast masselosen Neutrinos als einzigartige Botenteilchen zu nutzen, um energiereiche Ereignisse im Weltall, wie etwa Supernova-Explosionen oder andere kosmische Teilchenschleudern, aufzuspüren.

Zwischen Mai 2010 und Mai 2013 fingen die Forscher insgesamt 37 Neutrinos mit Energien oberhalb von 30 Tera-Elektronenvolt (TeV) aus den Tiefen des Kosmos ein, darunter drei mit einer Energie von mehr als 1000 TeV. Im Dezember 2012 flog dabei das höchstenergetische Neutrino in den IceCube- Detektor, das jemals von einem Experiment aufgefangen wurde. Es hat eine Energie von unvorstellbaren 2 Peta-Elektronen- volt (2000 TeV) – 300-mal mehr als die fast lichtschnellen Protonen, die im weltstärksten Teilchenbeschleuniger LHC ab 2015 aufeinanderprallen, geballt in einem einzigen Elementarteilchen. „Diese Messungen sind der erste Hinweis auf sehr hochenergetische Neutrinos, die von jenseits unseres Sonnensystems kommen, und ein Beleg für die Existenz von enorm energiereichen Prozessen im Kosmos. „Wir erleben gerade die Geburtsstunde der Neutrinoastronomie“, sagt Markus Ackermann, Leiter der an IceCube beteiligten DESYArbeitsgruppe. DESY ist zusammen mit neun Hochschulen aus Deutschland beteiligt – ein Viertel der optischen Module von IceCube wurden bei DESY zusammengesetzt und getestet, ein wesentlicher Teil der Empfangselektronik an der Eisoberfläche kommt aus Deutschland.

Eine räumliche oder zeitliche Häufung der registrierten höchstenergetischen Ereignisse, die auf eine bestimmte kosmische Quelle hindeuten würde, konnten die IceCube- Forscher bisher nicht feststellen, dazu ist die Anzahl noch zu klein. Mit steigenden Nachweiszahlen der kommenden Jahre hoffen die Wissenschaftler aber, einzelne Quellen der energiereichen Neutrinos im Kosmos identifizieren zu können.


Pulse picken bei BESSY II

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Manche Experimente benötigen Röntgenpulse mit einer bestimmten Zeitstruktur. An BESSY II stehen den Nutzern solche Pulse nun jederzeit zur Verfügung. Bild: K. Holldack/HZB

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

HZB-Physiker haben ein neues Verfahren entwickelt, um einzelne Pulse gezielt aus dem Röntgenlicht zu picken, das mit Teilchenbeschleunigern erzeugt werden kann. „Materialforscher brauchen solche Pulse, um Quantenmaterialien, Supraleiter oder katalytische Oberflächenprozesse zu untersuchen“, erklärt Karsten Holldack. Das neue „pulse picking“-Verfahren basiert auf der Anregung bestimmter Schwingungen in einem einzelnen Elektronenpaket und ist bereits eine Vorbereitung für das Zukunftsprojekt BESSY-VSR, das Forschern variable Röntgenpulse nach Maß zur Verfügung stellen soll.


Ausgereichtete DNA-Drähte für die Nanoelektronik

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Es sieht aus wie eine Dünenlandschaft – ist aber kleiner als ein Sandkorn: Auf der Siliziumoberfläche richten sich DNA-Nanoröhrchen dank elektrostatischer Wechselwirkungen an vorgegebenen Mustern aus. Bild: A. Keller/HZDR

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

HZDR-Forscher entwickelten eine einfache Methode, um DNA-Nanostrukturen kontrolliert auf Siliziumwafern anzuordnen. Den Wafer bestrahlten sie dafür mit Ionen, um regelmäßige Wellen auf der Oberfläche zu erzeugen. Darauf deponierten sie Nanoröhrchen, die sie mit der DNA-Origami-Technik herstellten. Durch elektrostatische Wechselwirkungen richteten sie sich selbstständig entlang der Wellen aus. Nun sollen die Röhrchen zu Schaltkreisen zusammengesetzt werden. Dies würde es ermöglichen, elektronische Bauteile kleiner und leistungsfähiger zu machen.


Werkstoffbearbeitung - Alte Probleme, neue Lösungen

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Die Prozesse beim Schneiden eines Werkstücks werden im Röntgenstrahl von PETRA III untersucht. Bild: HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Werkstoffbearbeitung begann mit dem ersten Faustkeil. Seither ist sie immer
raffinierter, die Abstimmung von Material, Verwendungszweck, Schneidetyp
immer aufwendiger geworden. Mit Partnern aus Universitäten und Industrie
untersucht das HZG mittels harter Röntgenstrahlen, was während der Bearbeitung
im Werkstück oder in der Schneidkante tatsächlich passiert, welche
Spannungen auftreten, wie sich Körner umorientieren, welche neuen Phasen
entstehen. Die Ergebnisse ermöglichen die weitere Optimierung dieser industriell
sehr wichtigen Produktionsprozesse.


Exotisches Teilchen bestätigt

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Blick in den WASA-Detektor: Erst die Kombination mit dem COSY-Beschleuniger ermöglichte extrem genaue Messungen. Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Über Jahrzehnte haben Physiker vergeblich nach exotischen Bindungszuständen gefahndet, die aus mehr als drei Quarks bestehen. Experimente am Jülicher Teilchenbeschleuniger COSY haben nun gezeigt, dass derartige komplexe Teilchen tatsächlich in der Natur vorkommen. Neue Messungen bestätigen Ergebnisse aus dem Jahr 2011. Damals hatten die mehr als 120 Wissenschaftler aus acht Ländern erstmals starke Hinweise auf die Existenz eines exotischen Dibaryons aus sechs Quarks gefunden.


Galaktisches Knie und extragalaktischer Knöchel

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Das KASCADE-Experiment besteht aus 252 Messstationen auf einer Fläche von 200 mal 200 Metern. Bild: KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Daten des KASCADE-Grande-Experimentes am KIT zeigen, dass das so genannte „Knie“ der kosmischen Strahlung, ein Abknicken des Energiespektrums bei hohen Energien, für leichte und schwere Teilchen bei unterschiedlichen Energien auftritt. Für die leichten Teilchen zeigten die Wissenschaftler nun, dass das Energiespektrum bei Energien jenseits des „Knies“ wieder abflacht und eine Art „Knöchel“ bildet. Die Struktur ist ein Hinweis, dass diese Teilchen nicht in unserer Milchstraße, sondern in anderen Galaxien beschleunigt werden.


Auf dem Weg zur Insel der Stabilität

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Das Element 117 entstand, als Calcium-Ionen bei GSI auf dieses Targetrad prallten. Bild: Christoph Düllmann/GSI

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Ein internationales Forscherteam hat an der Beschleunigeranlage von GSI mehrere Atome des noch namenlosen, superschweren Elements mit der Ordnungszahl 117 erzeugt und nachgewiesen. Die gemessenen Eigenschaften von Element 117 stehen im Einklang mit früheren Befunden aus dem Forschungszentrum in Dubna, Russland, was für eine offizielle Anerkennung notwendig ist. Bei dem Experiment entstanden außerdem Atome der Elemente Dubnium und Lawrencium. Deren Nachweis war nur durch eine extrem verfeinerte Messmethode möglich und stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Insel der Stabilität dar.

Kontakt

Prof. Dr. Helmut Dosch

Forschungsbereichskoordinator Materie

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Notkestraße 85
22607 Hamburg

Telefon: +49 40 8998-2408
Fax: +49 40 8998-4304
angelika.lorenzen (at) desy.de
http://www.desy.de


Dr. Ilja Bohnet

Forschungsbereichsbeauftragter Materie

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-68
ilja.bohnet (at) helmholtz.de


04.07.2015