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Der Materie auf der Spur - DESY in Hamburg

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg wurde am 18. Dezember 1959 als Stiftung der Bundesrepublik Deutschland und der Freien und Hansestadt Hamburg gegründet. DESY ist ein Zentrum für physikalische Grundlagenforschung.

Schwerpunkt der Forschungsarbeiten ist die Elementarteilchenphysik, die Untersuchung der kleinsten Bausteine der Materie mit Hilfe der Speicherring-Anlagen DORIS und HERA. Ein weiteres Forschungsgebiet sind die Arbeiten mit der Synchrotronstrahlung am DORIS-Speicherring.
Die wichtigsten bei DESY waren außer HERA die Elektron-Positron-Speicherringe PETRA und DORIS. In ihnen werden Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, gegenläufig beschleunigt und zur Kollision gebracht. Wenn sich dabei ein Elektron und ein Positron bei hoher Energie vernichten, entsteht reine Energie in höchster Konzentration, aus der wieder neue Materie entsteht. Die neue Materie tritt in Form von sogenannten Elementarteilchen in Erscheinung, die in komplexen Nachweisgeräten, Detektoren, registriert wird. Die Untersuchung solcher Prozesse erlaubt es, die Entstehung der Materie aus ihren ersten Anfängen zu erforschen, ihre kleinsten Bestandteile zu erkennen, die Kräfte zu erforschen, die sie zusammenhalten und die Gesetze aufzuspüren, die dem Aufbau der Materie zugrunde liegen. Dies ist das zentrale Thema der Elementarteilchenphysik. 

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PETRA war eine Zeit lang mit 2,3 km Umfang der größte und leistungsfähigste Elektron-Positron-Speicherring auf der Welt. PETRA erreichte eine Energie von 46 GeV (Milliarden Elektron-Volt). An PETRA waren vier Detektoren aufgestellt. Am kleineren Speicherring DORIS, der 11 GeV erreichte, standen zwei Detektoren. An den Experimenten zur Elementarteilchenphysik arbeiteten seinerzeit 450 Physiker aus 15 Ländern, die gemeinsam die Detektoren aufgebaut hatten und zusammen an ihnen ihre Forschungsarbeiten durchführten.
Beim Umlauf der Elektronen in den Speicherringen entsteht die sogenannte Synchrotronstrahlung, eine intensive elektromagnetische Strahlung vor allem im Ultraviolett- und im Röntgenbereich. Im Hamburger Synchrotronstrahlungs-Laboratorium HASYLAB am Ring wird diese Strahlung für zahlreiche interessante Experimente aus der Atom- und Festkörperphysik, der Chemie, der Biologie, der Mineralogie und für technische Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik, im sog. Röntgen-Lithographie-Verfahren, genutzt. Es wird auch die Frage untersucht, die intensive Röntgenstrahlung für sichere medizinische Diagnoseverfahren nutzbar zu machen. Bei HASYLAB arbeiten mehr als 300 Wissenschaftler, vorwiegend von deutschen Universitäten.
2017 wurde gemeldet, dass etwa 2300 Mitarbeiter bei DESY tätig seien: davon arbeiten etwa 650 Wissenschaftler in den Bereichen Beschleunigerbetrieb, Forschung und Entwicklung. Dazu kommen jährlich über 3000 Gastforscher aus über 40 Nationen. In Ausbildung sind hier über 100 junge Menschen in gewerblich-technischen und kaufmännischen Berufen und  als Wissenschaftlicher Nachwuchs brüten etwa 700 Diplomanden, Doktoranden und Postdocs über gestellten interessanten Aufgaben.

HERA (die Hadron-Elektron-Ring-Anlage) war das erste international finanzierte Großprojekt in der Teilchenforschung. Vor 1984 war der Bau von Beschleunigern stets zu 100 % vom jeweiligen Standortstaat finanziert worden, und die durchführenden nationalen und ausländischen Institute beteiligten sich lediglich an den von ihnen genutzten Experimenten. Der Wunsch nach der Beschleunigeranlage HERA war jedoch so groß, dass sich viele internationale Einrichtungen bereiterklärten, auch zum Bau des Teilchenbeschleunigers wesentlich beizutragen. Insgesamt beteiligten sich zwölf Länder mit mehr als 45 Instituten am Bau der Anlage (ca. 22 % der HERA-Baukosten von ca. 700 Mio. € wurden von ausländischen Einrichtungen übernommen).
HERA ermöglichte einen entscheidenden Vorstoß in die kleinsten Dimensionen des Mikrokosmos. In HERA laufen Elektronen und die 2000mal schwereren Protonen, durch Magnetfelder geführt, im Vakuum in zwei "Speicherringen" mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung um. Beide Speicherringe stehen übereinander in einem unterirdischen Tunnel von 6,3 km Umfang. Sie kreuzen sich an vier Stellen, an denen Protonen und Elektronen aufeinandertreffen. Die Zusammenstöße werden in vier Detektoren beobachtet. Die genaue Vermessung dieser Vorgänge gibt Aufschluss über die kleinsten Strukturen im Aufbau der Materie bis hinunter zu Dimensionen von 0,000 000 000 000 000 1 Millimeter.HERA War damit die erste Elektron-Proton-Speicherring-Anlage der Welt.

Am 1. Januar 1992 wurde DESY um einen zweiten Standort in Zeuthen, südöstlich von Berlin, erweitert. Vormals befand sich dort das Institut für Hochenergiephysik (IfH), das Labor für Hochenergiephysik der damaligen DDR.
Am 2. Juli 2007 endete die Nutzung von PETRA II als Vorbeschleuniger für HERA, weil HERA stillgelegt wurde. 
2000 beschäftigte man sich mit TESLA 

TESLA (Apronym von TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator; deutsch „Supraleitender Linearbeschleuniger für Tera-Elektronenvolt-Energien“ mit Anspielung auf die Maßeinheit Tesla der magnetischen Flussdichte) hieß der Vorschlag  für einen linearen supraleitenden Elektronenbeschleuniger.
TESLA sollte ursprünglich zwei Anlagen umfassen: einen 33 km langen Linearbeschleuniger für die Teilchenphysik sowie einen integrierten 4 km langen Röntgenlaser. Beide Teilbereiche wurden vollständig getrennt und werden als eigenständige Projekte weitergetrieben. Im Februar 2003 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Grundsatzentscheidung getroffen, den Röntgenlaser als europäisches Röntgenlaserprojekt XFEL in Hamburg zu verwirklichen. Die Idee eines 30 – 40 km langen Elektronen-Linearbeschleunigers für die Teilchenphysik wird als International Linear Collider (ILC) vorangetrieben.
Die TESLA-Technologie supraleitender Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob für Elektronenbeschleuniger wird jetzt in internationaler Zusammenarbeit kontinuierlich weiterentwickelt. In dem 315 m langen Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY in Hamburg werden die auf −271 °C gekühlten Kavitäten getestet und eingesetzt.

Seit 2009 dient PETRA III, nach einem zweijährigen Umbau, ausschließlich zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung. Damit steht eine der weltweit brillantesten Röntgenstrahlungsquellen für die Forschung zur Verfügung.

Anwendungen der Strahlung am HASYLAB betreffen viele Bereiche der Naturwissenschaften. Einige Beispiele hierzu sind:
Die ersten Tests der Röntgenlithografie 1975, später weiterentwickelt zur Röntgen-Tiefenlithografie.
Die Mößbauerspektroskopie ist ein zerstörungsfreies, physikalisches Fein-Analyseverfahren, das beispielsweise in der Biochemie, Festkörperphysik und Geologie eingesetzt wird. Am HASYLAB wurde 1984 das erste durch Synchrotronstrahlung gewonnene Mößbauer-Spektrum aufgenommen.
Fortschritte gab es in der Medizin. Die Röntgentechnik wurde 1985 so weiterentwickelt, dass die Detailstruktur des Schnupfenvirus aufgeklärt werden konnte.
Ein Phonon ist die elementare Anregung (Quant) des elastischen Feldes. In der Festkörperphysik beschreiben Phononen elementare bzw. kollektive Anregungen der Gitterschwingungen eines Festkörpers und können als bosonische Quasiteilchen verstanden werden. Schon 1986 gelang es mittels der Synchrotronstrahlung  einzelne Gitterschwingungen (Phononen) in Festkörpern anzuregen.
Vorher war es nur an Kernreaktoren mit Neutronenstreuung (INS) möglich, jetzt konnten durch die unelastische Röntgenstreuung (IXS) Untersuchungen der Eigenschaften von Materialien durchgeführt werden.
Die Wirtschaft war hier auch zu Gast. So  nutzte SIEMENS-Osram die Anlagen von HASYLAB um die Glühdrähte ihrer Lampen mittels Synchrotronstrahlung untersuchen zu lassen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über den Glühvorgang führten dazu die Haltbarkeit von Lampen in bestimmten Anwendungsgebieten besser kontrollieren zu können.
Die Halbleitertechnik erfährt Fortschritte. Am HASYLAB werden kleinste Verunreinigungen und gezielte Dotierungen im Silizium der Computerchips analysiert, kleiner mögliche Strukturen bedeuten mehr Rechengeschwindigkeit und höhere Speicherkapazität pro Baustein. 
Die Wirkungsweise von Katalysatoren wird besser erforscht.
Für unsere Werkstofftechnologie werden Fortschritte erforscht, da die mikroskopischen Eigenschaften verschiedenster werkstoffe untersucht werden können.
Selbst Eiweißmoleküle werden mit der besseren Röntgentechnologie der Synchrotronstrahlung durchleuchtet