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Materie und Technologien - Schlüsseltechnologien für die Wissenschaft

Um Materie in all ihren Facetten so detailliert wie möglich untersuchen zu können, braucht es die leistungsfähigsten Forschungswerkzeuge der Welt.

Diese gibt es nicht von der Stange zu kaufen, also müssen die Fachleute neue Spitzentechnologien entwickeln. Das Forschungsprogramm „Materie und Technologien“ schafft die Basis für künftige Wissenschafts-Werkzeuge und muss dafür die Grenzen des Machbaren verschieben. Das Programm konzentriert sich auf die Entwicklung dreier Schlüsseltechnologien: Teilchenbeschleuniger, Detektoren und wissenschaftliches Computing. 

Beschleuniger sind als Forschungsinstrumente ungemein wertvoll. Sie können Elementarteilchen erzeugen und erkunden, woraus unsere Materie in ihrem Innersten besteht. Und sie fungieren als starke Quellen für Röntgenblitze, mit denen sich Nanomaterialien und Proteine untersuchen lassen. Zum einen versucht das Forschungsprogramm, die Potenziale der derzeitigen Technik auszuschöpfen: Diese basiert darauf, dass Teilchen mit Radiowellen auf Trab gebracht werden. Während bei den modernsten supraleitenden Beschleunigern immer nur Teilchengruppen beschleunigt werden, und der Beschleuniger danach für einige Momente pausiert, sollen sie künftig auch durchgehende Teilchenstrahlen zu hohen Energien bringen – ein Vorteil für viele Experimente. Zum anderen erforscht das Programm komplett neue Ansätze mit dem Potenzial, die Technologie zu revolutionieren. Zum Beispiel die Plasmabeschleunigung: Laserpulse können Elektronen auf kürzester Distanz in Schwung bringen – der Beschleuniger der Zukunft wird deutlich kleiner. Damit sind ultrakompakte Röntgenlaser für die Wissenschaft machbar, aber auch neue Diagnose- und Therapieverfahren für die Medizin.

Ebenso wichtig ist die Rolle von Detektoren: In der Teilchenphysik agieren sie als überdimensionale „Kameras“, die die Teilchenkollisionen verfolgen und aufzeichnen. An den Röntgenquellen erfassen sie mit enormer Präzision, wie die Proben auf die hochintensiven Blitze reagieren – wobei sich sogar regelrechte Röntgenfilme drehen lassen. Die Herausforderung: Anlagen wie der European XFEL liefern enorme Intensitäten an Röntgenlicht, künftige Großgeräte wie der Beschleunigerkomplex FAIR und die Ausbaustufe des LHC werden extreme Mengen an Teilchenspuren produzieren. Um diese Flut an Ereignissen zu erfassen, bedarf es innovativer Konzepte. Das Programm entwickelt solche neuen Detektoren, die hochempfindlich sind und eine feine räumliche und zeitliche Auflösung bieten.

Moderne Großgeräte produzieren enormen Mengen an Messdaten. Um sie speichern und verarbeiten zu können, braucht es ganz neue Methoden der Datenverarbeitung: Das wissenschaftliche Computing wird als Element für die Erkenntnisgewinnung immer wichtiger und gilt mittlerweile als eigenes Forschungsgebiet. Das Forschungsprogramm „Materie und Technologien“ widmet sich der Entwicklung sowohl von ultraschneller Hardware als auch von neuartigen Software-Werkzeugen und Algorithmen. Unter anderem kommen Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) zum Einsatz. Sie können im Datenwust verborgene Muster und Gesetzmäßigkeiten aufspüren, die dem menschlichen Auge schlicht entgehen.  

Factsheet

Zentrale Forschungsfragen:

  • Wie lässt sich die heutige Beschleunigertechnologie noch leistungsfähiger, stabiler, kompakter und kostengünstiger machen?
  • Kann man durchgehende Teilchenstrahlen effizient auf hohe Energien bringen?
  • Wie konstruiert man ultraschnelle und hochpräzise Detektoren?
  • Wie können Detektoren die hohen Datenraten sowie die extremen Umgebungsbedingungen in künftigen Experimenten bewältigen?
  • Wie lassen sich die neuen Technologien in die Anwendung überführen?
  • Welche Soft-und Hardware wird benötigt, um die enormen Mengen an Messdaten zu analysieren? Können KI-Algorithmen dabei helfen?
  • Wie lassen sich die neuen digitalen Methoden für die gesamte Wissenschaft zugänglich machen?
  • Wie können neuartige digitale Verfahren helfen, Experimente und Anlagen optimal zu nutzen?

Drei Programmthemen:

Forschung an Beschleunigertechnologien

Forschung an Detektortechnologien

Datenmanagement und -analyse

Forschungsinfrastrukturen:

  • SINBAD: Entwicklungszentrum für neue Beschleunigerkonzepte, Hamburg
  • Teststand PITZ, Zeuthen
  • Center for Data and Computing Science (CDCS), Hamburg
  • Data and Analysis Facility (IDAF), Hamburg
  • ATHENA: Verteilte Infrastruktur für Plasmabeschleunigung, Berlin, Dresden-Rossendorf, Hamburg, Jülich, Darmstadt, Jena, Karlsruhe
  • bERLinPro: Testanlage für neue Beschleunigertechnologien, Berlin
  • BESSY II: Testanlage mit weicher Röntgenstrahlung für Beschleunigerentwicklung, Berlin
  • Cryoplatform: Experimente und Detektorentwicklung bei sehr tiefen Temperaturen, Hamburg
  • cStart: kompakter Speicherring für Beschleunigerforschung und -entwicklung, Karlsruhe
  • DAF: Labor für die Fertigung von hoch-präzisen Siliziumdetektoren, Hamburg
  • ELBE @ ELBE Center, Beschleuniger zur Erzeugung kompakter Teilchen- und Photonenstrahlen verschiedener Wellenlängen, Dresden-Rossendorf
  • FLASH: Freier-Elektronenlaser, Hamburg
  • FLUTE: Teststand für die Erzeugung von intensiven ultrakurzen elektromagnetischen-Pulsen, Karlsruhe
  • Helmholtz Data Federation (HDF), Hamburg, Karlsruhe, Darmstadt, Jülich, Bremerhaven, Heidelberg
  • High Power Laser Systems: Hochleistungslaser mit Anlagen und Messtechnik für Plasmabeschleunigung, Jena, Darmstadt
  • HL-LHC : Ausbaustufe des Large Hadron Colliders am CERN, Hamburg/Zeuthen, Karlsruhe
  • HSS: Labor für die Produktion und für Tests von supraleitenden Sensoren, Karlsruhe
  • KARA: Elektronenspeicherring für Beschleuniger-und Detektorentwicklung, Karlsruhe
  • Petawatt Lasers @ ELBE Center, Hochleistungslaser mit Anlagen und Messtechnik für Plasmabeschleunigung, Dresden-Rossendorf
  • Supralab: Labor für die Entwicklung von Beschleunigertechnologien, Berlin
  • Testbeam: Elektronen-Teststrahlanlage für Detektorentwicklung, Hamburg
  • X-Ray Detector Program: Anlage für die Entwicklung für auf harte und weiche Röntgenstrahlung spezialisierte Detektoren, Hamburg

Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsches Elektronen‐Synchrotron (DESY)

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Helmholtz-Institut Jena (HI Jena), Helmholtz-Institut Mainz (HIM)

Helmholtz‐Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Helmholtz‐Zentrum Dresden‐Rossendorf (HZDR)

Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)

Helmholtz-Zentrum Hereon

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Ties Behnke

Programmsprecher Matter and Technologies
Deutsches Elektronen-Synchrotron

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