Grossforschungsanlagen am PSI

Manchmal benötigt der Blick auf die ganz kleinen Objekte besonders grosse Geräte, denn nur sie können die Sonden erzeugen, die notwendig sind, um Materie so zu durchleuchten, dass man die gesuchten Informationen gewinnt. Das PSI unterhält mehrere solcher Anlagen. Diese stellt es den Wissenschaftlern anderer Institute im Rahmen des Nutzerdienstes. als Dienstleistung zur Verfügung, nutzt sie aber auch für eigene Forschung. Die Anlagen sind in der Schweiz einzigartig, manche Geräte gibt es auch weltweit nur am PSI.

Forschen mit grossen Geräten

An den Grossforschungsanlagen des PSI werden Neutronen, Myonen und Synchrotronlicht erzeugt. Neutronen und Myonen sind kleine Teilchen, Synchrotronlicht ist Röntgenlicht mit höchster Intensität und einstellbarer Energie. Mit diesen drei Sonden kann man Informationen über den Aufbau verschiedenster Materialien gewinnen, wobei jede dieser Sonden für bestimmte Experimente besonders gut geeignet ist. Die Benutzer finden am PSI insgesamt rund 40 verschiedene Messplätze für Ihre Experimente vor.

Die jüngste Grossforschungsanlage des PSI erzeugt sehr kurze Pulse von Röntgenlicht mit Lasereigenschaften. Damit können Forschende extrem schnelle Vorgänge wie die Entstehung neuer Moleküle bei chemischen Reaktionen verfolgen, die detaillierte Struktur lebenswichtiger Proteine bestimmen oder den genauen Aufbau von Materialien klären. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse erweitern unser Verständnis der Natur und führen zu praktischen Anwendungen wie neuen Medikamenten, effizienteren Prozessen in der chemischen Industrie oder neuen Materialien in der Elektronik.

Synchrotronlicht ist eine besonders intensive Form von Licht, das in seinen Eigenschaften genau an die Bedürfnisse eines Experiments angepasst werden kann. Mit Synchrotronlicht durchleuchten Forschende unterschiedlichste Materialien, um deren detaillierten Aufbau oder die magnetischen Eigenschaften zu bestimmen. Untersucht werden beispielsweise magnetische Materialien, wie sie in modernen Speichermedien verwendet werden, und Proteinmoleküle, die eine wesentliche Rolle bei Vorgängen in lebenden Organismen spielen. Das Synchrotronlicht entsteht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Es wird hier von Elektronen abgestrahlt, die fast mit Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn von 288 m Umfang laufen, in der sie durch starke Magnete gehalten werden.

Mit Neutronen kann man die Anordnung und Bewegung von Atomen in Materialien bestimmen. Da Neutronen sich wie kleinste Magnete verhalten, eignen sie sich auch besonders gut zur Untersuchung magnetischer Materialien. In der Natur kommen sie als Bausteine des Atomkerns vor. Am PSI werden sie in der Spallationsquelle SINQ (Sprich: sin-ku) aus den Atomkernen herausgeschlagen und so für Experimente verfügbar gemacht.

Myonen werden vor allem dafür eingesetzt, Magnetfelder im Inneren von Materialien zu bestimmen. Myonen sind Elementarteilchen, die in ihren Eigenschaften den Elektronen ähneln. Sie sind aber deutlich schwerer und vor allem instabil. Zerfällt ein Myon im Inneren eines magnetischen Materials, liefert es Information über das Magnetfeld in dessen Innerem. Myonen werden am PSI in der Myonenquelle SμS (Sprich: es-mü-es) erzeugt.

Mithilfe von CHRISP untersuchen Forschende unter anderem mit der international leistungsfähigsten Quelle für ultrakalte Neutronen, wie unser Universum aufgebaut ist. So bestimmen sie beispielsweise fundamentale Naturkonstanten mit höchster Präzision und suchen nach Abweichungen im gängigen Standardmodell der Teilchenphysik. Zudem entwickeln und testen sie Detektoren für Experimente am PSI, für Weltraummissionen und für das europäische Forschungszentrum CERN in Genf.

Sowohl die Neutronen aus der SINQ als auch die Myonen aus der SμS entstehen, wenn ein Strahl schneller Protonen auf einen Block eines speziellen Materials trifft. Der Protonenstrahl wird in der Protonenbeschleunigeranlage des PSI erzeugt. Hier werden die Protonen auf fast 80 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.