Der Forschungsbereich Materie - von der Mikrowelt zum ganzen Universum

Materie ist der Grundstoff unserer Existenz. Sterne und Planeten bestehen ebenso aus ihr wie Menschen und Mikroben. Der Helmholtz-Forschungsbereich Materie erkundet die unterschiedlichsten Facetten – von den winzigen Elementarteilchen bis zum großen Ganzen, dem Kosmos: Wie hat sich das Universum seit dem Urknall entwickelt? Und wie sehen die Grundbausteine der Materie aus, was hält sie zusammen? Beide Fragen hängen eng miteinander zusammen: Jene Teilchen, die in den ersten Momenten des Universums entstanden waren, hatten seine Entwicklung entscheidend geprägt.

Ferner untersucht der Forschungsbereich jene Regionen, die zwischen diesen beiden Extremen liegen – zum Beispiel Kristalle, Kunststoffe oder Proteine. Deren Eigenschaften sind durch das Miteinander der Atome und Moleküle bestimmt, aus denen sie bestehen. Und je genauer wir das hochkomplexe Wechselspiel dieser Atome und Moleküle verstehen, umso zielgerichteter lassen sich neue Hightech-Werkstoffe, Elektronikmaterialien und Medikamente entwickeln. Indem wir die mikroskopische Struktur der unterschiedlichsten Materialien analysieren, schaffen wir nicht nur mitunter völlig unerwartete Erkenntnisse, sondern auch wesentliche Grundlagen für künftige Innovationen.

Um die Ziele zu erreichen, betreibt Helmholtz eine Reihe von hochklassigen wissenschaftlichen Großgeräten. So liefern die Synchrotronstrahlungsquellen PETRA III in Hamburg und BESSY II in Berlinhochintensives Röntgenlicht, mit dem sich der Aufbau von Nanomaterialien und Biomolekülen bis aufs Atom genau analysieren lässt. Außerdem ist Helmholtz maßgeblich an zahlreichen internationalen Forschungsanlagen beteiligt – etwa an dem stärksten Röntgenlaser der Welt, dem European XFEL in Hamburg oder den Experimenten am weltweit größten Teilchenbeschleuniger LHC am CERN in Genf. In Zukunft kommen weitere wissenschaftliche Leuchttürme hinzu: In Darmstadt entsteht mit FAIR der weltweit leistungsfähigste Beschleunigerkomplex für die Kern- und Hadronenphysik. Diese befasst sich mit der Erforschung aller Teilchen, die die winzigen Elementarteilchen Quarks enthalten und als Hadronen bezeichnet werden. FAIR soll unter anderem Antworten auf die Frage liefern, wie die chemischen Elemente im Inneren eines Sterns im Detail „gebacken“ werden.

Der Forschungsbereich Materie arbeitet eng mit anderen Helmholtz-Bereichen sowie mit Universitäten, Unternehmen und Forschungsorganisationen aus dem In- und Ausland zusammen. Damit schafft er Synergien zwischen grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung und entwickelt sich weiter zum Magneten für den wissenschaftlichen Nachwuchs.


Factsheet

Die Mission:

Wie entstand der Kosmos, wie hat er sich entwickelt?

Erkundung des Mikrokosmos: Woraus besteht Materie, was sind ihre Grundbausteine? 

Analyse von Materialien: Wie sehen die Werkstoffe der Zukunft aus?

Aufklärung von Biomolekülen: Wie funktionieren Proteine auf der atomaren Ebene?

Konstruktion und Bau von Großgeräten: Auf welche Weise lassen sich die Grenzen des technisch Machbaren verschieben?

Ausbildung: Wie lässt sich der wissenschaftliche Nachwuchs am besten fördern?

Kooperationen mit der Wirtschaft: Wie können wissenschaftliche Erkenntnisse in Innovationen umgesetzt werden?

 

Drei Forschungsprogramme:

Materie und Universum

Von Materie zu Materialien und Leben

Materie und Technologien

 

Ausgewählte Forschungsinfrastrukturen:

Röntgenlaser (European XFEL, FLASH)

Synchrotrons (PETRA III, BESSY II)

Teilchendetektoren (ATLAS und CMS am LHC, Belle II bei SuperKEKB)

Neutronenquellen (FRM II)

Schwerionen-Beschleuniger (FAIR)

Astroteilchenphysik-Experimente (IceCube, Pierre-Auger-Observatorium, CTA)

Laser (PHELIX, DRAGO, PENELOPE)

Ionenstrahlzentrum (IBC)

 

Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsches Elektronen‐Synchrotron (DESY)

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Helmholtz‐Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Helmholtz‐Zentrum Dresden‐Rossendorf (HZDR)

Helmholtz-Zentrum Hereon

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

 

Zusätzliche Information: Helmholtz-Photon-Sciene-Roadmap-2021 (Kurzfassung herunterladen, Langfassung herunterladen) – die gemeinsame Strategie der Helmholtz-Zentren in Hamburg (DESY), Berlin (HZB) und Dresden (HZDR) zu den beschleunigerbasierten Lichtquellen in Deutschland

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