• Welche Relevanz hat Forschung auf dem Gebiet der Teilchenphysik und in benachbarten Teilgebieten der Physik für unser tägliches Leben?

Titelbild: Akira KouchiyamaCC BY-SA 3.0

Das primäre Ziel von Grundlagenforschung ist ein besseres Verständnis der Natur und der Umwelt. Wie die Vergangenheit gezeigt hat, führt dies oft zu technologischem Fortschritt. Als Einstein die Relativitätstheorie formulierte, hatte er sicherlich nicht an die Navigation mittels GPS-Satelliten als Anwendung gedacht. Maxwell und Hertz hatten im 19. Jahrhundert wohl auch noch keine Vorstellung davon, wie man elektromagnetische Wellen dazu verwenden könnte, eine Videokonferenz am Handy über Kontinente hinweg zu führen. Es dauerte Jahrzehnte, bis die gefundenen Konzepte eine Anwendung fanden.

Auch aus der Teilchenphysik resultierten praktische Anwendungen. Oft hielten auch technologische Fortschritte, die für die Forschung notwendig waren und speziell dafür entwickelt worden waren, einen direkten Einzug in unser Leben. Gleich das erste Beispiel zeigt, wie unvorhersagbar und doch extrem nützlich solch neue Technologien sein können.

Internet

Das World Wide Web (WWW) ging aus einem Forschungsprojekt am CERN hervor. Tim Berners-Lee entwickelte in seinem Projekt alles, was notwendig war, um eine vernetzte Datenbank mit verlinkten Inhalten aufzubauen: Das Protokoll http, die Sprache html, einen Webserver und einen Webbrowser. Web-Seiten von damals sahen noch etwas anders aus. Die älteste erhaltene Web-Seite, welche das Projekt selber beschreibt, wird zu Anschauungszwecken weiterhin vom CERN gehostet. Die Vernetzung von Computern war nicht neu aber zunächst dem Militär und Forschungseinrichtungen vorbehalten. Anfang der 90er Jahre startete die kommerzielle Verwendung des Internets. Seitdem werden die Anwendungen vielfältig weiterentwickelt.

Medizin

Der medizinische Nutzen von unserem stetig wachsenden Verständnis der Kern- und Teilchenphysik ist ebenfalls ein wichtiger Teil der Forschung. Dass sich Materie und Antimaterie auslöschen, ist nicht nur etwas für Science-Fiction-Geschichten, sondern wird auch in der bildgebenden Krebsdiagnose beim PET-Scan (Positronen-Emissions-Tomographie) verwendet. Bei der β+-Strahlung zerfallen Protonen in Positronen, Neutronen und Neutrinos. Daher ist es möglich, einer an Krebs erkrankten Person eine schwach radioaktive Substanz zu injizieren, welche dem Beta-Zerfall unterliegt. Dabei wird eine Substanz verwendet, welche Krebszellen mehr anreichert als gesunde Zellen. Die durch den Zerfall entstehenden Positronen zerstrahlen mit den im Gewebe vorkommenden Elektronen und produzieren zwei hochenergetische Photonen. Diese werden entgegengesetzt emittiert, da ja sowohl Energie- als auch Impulserhaltung nicht verletzt werden dürfen. Diese Photonen werden detektiert, um so Rückschlüsse auf den Ort des Tumors im Körper zu erhalten. Andere bildgebende Verfahren von Röntgenbildern bis zur MRT (Magnetresonanztomographie) haben ihre Ursprünge ebenfalls in der Teilchenphysik.

Beim PET-Scan (Positronen-Emissions-Tomographie) vernichten sich Elektronen und Positronen und senden dabei zwei Lichtteilchen aus, welche detektiert werden. Daraus wird ein Bild rekonstruiert.

319px PET MIPS animPET-Scan. Quelle: Jens Maus

In der sogenannten Theranostik, welche Therapie und Diagnostik kombiniert, werden ebenfalls Erkenntnisse aus der Nuklearphysik eingesetzt. Das Ziel ist es, Krankheiten oder Veranlagungen dazu möglichst früh zu erkennen und Patienten somit frühzeitig oder sogar präventiv behandeln zu können. Durch verschiedene bildgebende Verfahren wie zum Beispiel PET-Scans können etwa Krebsgeschwüre in einem frühen Stadium erkannt werden. Durch die gezielte Entwicklung von spezifischen, den jeweiligen Umständen angepassten Isotopen und durch eine exakte Dosierung versucht man, nur das Krebsgeschwür anzugreifen und die gesunden Zellen unbeschädigt zu lassen.

Auch die Ionentherapie, eine weitere Möglichkeit zur Krebsbekämpfung, hat ihre Ursprünge in der Teilchenphysik. Hier werden Ionen in einem Beschleuniger auf $200.000\,km/s$ beschleunigt, gebündelt und dann auf karzinogenes Gewebe gefeuert. Da dieser Ionenstrahl sehr gut fokussiert werden kann, wird dabei das gesunde Gewebe geschont. Ein großer Vorteil der Ionentherapie ist, dass man auf Ionen verschiedener Elemente zurückgreifen kann. Beispielsweise wirken Kohlenstoff-Ionen in einem Tumor stärker als in gesundem Gewebe. Das MedAustron Ionentherapiezentrum, welches in Niederösterreich liegt, ist eines von fünf Zentren weltweit, welches Ionentherapie mit Kohlenstoff-Ionen anbietet. Rund 50 Personen der etwa 180 Beschäftigten bei MedAustron waren zuvor am CERN beschäftigt.

Energiegewinnung

Ein weiterer Nutzen ist die Forschung an der Kernfusion. Anders als bei der Kernspaltung würde hier radioaktiver Abfall nur in geringen Mengen anfallen. Aber auch die Kernspaltung profitiert weiterhin von der Forschung in der Teilchenphysik, da spätestens nach der nuklearen Katastrophe in Fukushima ein weiteres Mal klar wurde, wie wichtig die Sicherheit in den Atomkraftwerken ist. Um diese zu erhöhen, müssen wir unser Wissen über nukleare Prozesse weiter verbessern.

Selbst wenn wir aber auf nukleare Energiegewinnung vollständig verzichten würden, bleibt immer noch das Problem der Entsorgung der bereits entstandenen radioaktiven Abfallprodukte. Zum Teil weisen diese eine Halbwertszeit von mehreren hundert Millionen Jahren aufweisen. Wir wissen nicht, wie sich die Welt in einem solchen Zeitraum entwickeln wird: Bleiben Lagerstätten geologisch so lange stabil? Was passiert, wenn es zu politischen Veränderungen kommt und radioaktiver Abfall plötzlich jemandem gehört, der bereit ist, ihn kriegstechnisch einzusetzen, sei es für schmutzige Atombomben oder für den Bau richtiger Atombomben? Offensichtlich wäre es besser, das Problem Atommüll anders zu lösen, als ihn einfach nur irgendwo zu vergraben und auf das Beste zu hoffen. Hier wird die Transmutation in der Entsorgung radioaktiver Abfallprodukte eine wichtige Rolle spielen. Dabei versucht man, radioaktive Stoffe in andere radioaktive Stoffe umzuwandeln, welche eine bedeutend kürzere Halbwertszeit haben.

Radiometrische Datierung

Radiometrische Datierungen, wovon die C14-Datierung die bekannteste ist, können zur Altersbestimmung herangezogen werden. In der C14-Datierung wird der radioaktive Zerfall von 14C-Atomen verwendet. Diese werden ständig in der Atmosphäre gebildet und von lebenden Organismen über die Nahrung aufgenommen. Gleichzeitig zerfallen die 14C-Atomen im Körper, sodass eine annähernd konstante 14C-Konzentration im Körper vorliegt. Stirbt ein Lebewesen, stoppt die Aufnahme und die Konzentration sinkt nach dem Zerfallsgesetz exponentiell. So kann man über den Anteil an verbliebenen 14C-Atomen im Körper auf den Todeszeitpunkt schließen. In der Archäologie ist die C14-Datierung ein wichtiges Werkzeug. Durch Fortschritte auf experimenteller Seite benötigt man für die C14-Datierung inzwischen nur mehr kleinste Mengen. Dadurch kann sie auch für medizinische Studien zum Alter von Zellen und deren Erneuerungsrate verwendet werden. In der Forensik kommt diese Methode ebenfalls zum Einsatz. Etwa kann man das Alter von Opfern anhand derer Zähne damit abschätzen.

Raumfahrt

Ein Thema, das die Menschheit in Zukunft beschäftigen könnte, sind Raumfahrtmissionen, bei denen wir die Grenzen unseres Sonnensystems verlassen werden. Hier werden wir uns über den Antrieb der Raumfahrzeuge Gedanken machen müssen. Kandidaten hierfür sind nukleare Antriebe, Antimaterie-Antriebe oder sogenannte 'beamed propulsion'-Antriebe. Das sind Antriebe, bei denen dem Raumschiff über eine Distanz hinweg Energie für den Antrieb zugesendet wird.

Internationale Zusammenarbeit

Nicht außer Acht zu lassen ist auch die internationale Zusammenarbeit, welche für Großprojekte wie den LHC notwendig ist. Einzelne Institutionen könnten nur sehr schwer die Ressourcen aufbringen, um Forschung auf so einem Niveau zu betreiben. Gemeinsam ist es jedoch möglich. Die Forschung bringt Menschen aus vielen Nationen dazu, an einem Strang zu ziehen. So sind ständig Forscherinnen und Forscher aus etwa 80 verschiedenen Nationen am CERN tätig. Obwohl die Beziehungen mancher Länder zueinander mehr als problematisch sind, funktioniert die Zusammenarbeit am CERN sehr gut. So sind beispielsweise israelische und palästinensische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen am selben Projekt tätig.

Der erste Internet-Browser zum Ausprobieren.

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