Von Kernphysik und Kosmochemie zu Quantendynamik und Astroteilchenphysik - 50 Jahre
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50 Jahre
1958 2008
Max-Planck-Institut
für Kernphysik
Von Kernphysik und Kosmochemie
zu Quantendynamik und Astroteilchenphysik
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50 Jahre
1958 2008
Max-Planck-Institut
für Kernphysik
50 Jahre Max-Planck-Institut für Kernphysik
Von Kernphysik und Kosmochemie
zu Quantendynamik und Astroteilchenphysik
Abbildungen auf der Titelseite:
Oben links: Im Hintergrund der Q3D-Magnetspek Oben rechts: Im Hintergrund die Leuchtspur eines Ein Überblick über die Geschichte des Instituts:
trograph, der auf einem Luftkissen über einer Granit-
platte von 8,8 m Durchmesser gelagert war; links im
Meteoriten, aufgenommen mit der Meteoritenortungs-
kamera, die auf dem Dach des Wolfgang-Gentner-La-
seine Direktoren,
Bild das Strahlrohr zur Streukammer in der Mitte der boratoriums bis 1993 betrieben wurde. Davor ein Mas- Einrichtungen und Forschungsgebiete
Platte, hinten die drei Dipole und rechts die ortsbestim- senspektrometer zur Messung von Edelgasen, rechts die
menden Zählkammern. Davor ein Spiralresonator des Ionenquelle, in der Mitte der Trennmagnet und links
am Institut entwickelten Nachbeschleunigers und das der Ionendetektor, sowie ein von den Glasbläsern des
Kristallkugelspektrometer mit 162 NaI-Detektoren und Instituts gefertigtes Proportionalzählrohr in Miniatur-
wenigen Ge-Zählern. bauweise für extrem geringe Zählraten.
Unten links: Im Hintergrund das ab initio berechnete Unten rechts: Im Hintergrund das berechnete turbu-
Spektrum höherer Harmonischer bei einfacher (unten) lente Magnetfeld, das im Vorfeld einer Schockwelle Herausgeber:
und doppelter (oben) Rekombination nach Mehrfach von beschleunigten Teilchen der kosmischen Strahlung MPI für Kernphysik, Öffentlichkeitsarbeit, 2008
ionisation in einem intensiven Laserpuls. Davor die mit erzeugt wird. Davor der Supernovaüberrest RX J1713.7- Redaktion: Bernold Feuerstein, Gertrud Hönes
einem Reaktionsmikroskop gemessene Winkel- und En- 3946 im hochenergetischen Gammalicht, beobachtet unter Mitwirkung von Frank Arnold, Eberhard Grün, Werner Heibel, Till Kirsten, Wolfgang Krätschmer,
ergieverteilung der bei einem Ion-Atom-Stoß freigesetz- von den H.E.S.S.-Teleskopen, und eine Konstruktions- Bernd Martin, Bogdan Povh, Roland Repnow, Horst Schmidt-Böcking, Gernot Vogt, Heinrich J. Völk,
ten Elektronen und eine Konstruktionsskizze des ultra- skizze eines Detektors für das Double-Chooz-Experi- Hans A. Weidenmüller, Andreas Wolf.
kalten Speicherrings CSR. ment zur Aufklärung der Neutrinooszillationen. Unser Dank gilt all denen, die zur Entstehung dieser Festschrift beigetragen haben.
Vorgeschichte: Institut für Physik im KWI/MPI für medizinische Forschung Die Gründung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
Das Max-Planck-Institut für Kernphysik ist aus dem eben- wies den Weg zum Neutron, das wieder- Bei den Verhandlungen des Generalsekretärs der MPG mit Herr Heisenberg hält nunmehr den Standort Heidelberg für
falls in Heidelberg ansässigen Kaiser-Wilhelm-/Max-Planck- um zum Werkzeug der 1938 von Otto Wolfgang Gentner über die Nachfolge Walther Bothes ergab zweckmäßig.“ Damit war die Berufung Wolfgang Gentners
Institut für medizinische Forschung hervorgegangen. Des- Hahn und Fritz Strassmann entdeckten sich, „dass im Falle einer Annahme des Rufes durch ihn das zum Direktor des neu zu gründenden MPI für Kernphysik
sen erster Geschäftsführender Direktor, Ludolf von Krehl Uranspaltung geworden ist. bisherige Institut für Physik aus dem Rahmen des Gesamtin endgültig beschlossen.
(1861–1937), war davon überzeugt, dass „naturwissenschaft- stituts für medizinische Forschung herauswachsen würde und Zum 1. Oktober 1958 nahm Gentner den Ruf als Direktor
Bis dahin war die von natürlichen radio-
lich-medizinische Forschung oft dann den Kliniken reichsten eine Verselbständigung dieses Instituts vorgenommen werden des neu gegründeten MPI für Kernphysik in Heidelberg an,
aktiven Substanzen ausgehende Strahlung
Segen bringt, wenn sie sich von der Klinik ganz zu entfernen müsste, eine Entwicklung, die sich zur Zeit von Herrn Pro- ließ sich aber schon ab 1. April 1958 zum Kommissarischen
das einzige Mittel für die Untersuchung
scheint.“ Die Entdeckung der Röntgenstrahlen, aber auch des fessor Bothe bereits angebahnt hatte“. Gentner hatte wegen
der Atomstruktur der Materie gewesen. Walther Bothe Direktor des Instituts für Physik im MPI für medizinische
Penicillins, oder später die Anwendung von Radioisotopen in seiner Pläne auch mit Werner Heisenberg Kontakt aufgenom- Forschung ernennen. Diese Ernennung war mit einer deut-
Als sich technische Möglichkeiten abzeichneten, Atomkerne
der Medizin haben ihm recht gegeben. Neben Teilinstituten men, wobei man im neuen Gentnerschen Institut keinerlei lichen Erhöhung des Institutsetats verbunden, was erlaubte,
und Bruchstücke davon auch künstlich auf Geschwindig-
für Physiologie und Pathologie bildeten daher auch Institu- Konkurrenz zum Heisenbergschen Institut sah. Auch Richard sofort mit der Planung eines abgeschirmten Raumes für den
keiten weit über jene der natürlichen Strahlungen zu be-
te für Chemie und für Physik die vier Eckpfeiler des 1930 Kuhn, Direktor des MPI für medizinische Forschung, sprach abgelenkten Strahl des Zyklotrons zu beginnen und diesen in
schleunigen, begann Walther Bothe zusammen mit Wolfgang
gegründeten Kaiser-Wilhelm-Instituts für medizinische For- sich ausdrücklich für diese Pläne aus. den Sommerferien bauen zu lassen. Für alle Apparaturen im
Gentner ab 1936 solche Maschinen zu bauen – die ersten
schung. Erster Leiter des Instituts für Physik war Karl Wil- Unmittelbar nach der entsprechenden Sitzung des Senats Institut konnte jetzt moderne Elektronik angeschafft werden,
Teilchenbeschleuniger in Deutschland. Zunächst war dies
helm Hausser (1887–1933), der die Lichteinwirkung auf bio- der MPG erhob Heisenberg dann aber doch noch Einwände und die Reisekosten für Dienstreisen und Tagungsbesuche
ein elektrostatischer Hochspannungsgenerator nach dem von
logische Systeme untersuchte. Als Walther Bothe die Leitung gegen die Gründung eines neuen Instituts. Das Senatsproto- mussten nicht mehr aus der eigenen Tasche bezahlt werden.
dem holländischen Physiker Robert van de Graaff entwickel-
1934 übernahm, legte er den Grundstein für die kernphysika- koll vermerkt dazu: „Herr Heisenberg gibt zu bedenken, ob
ten Prinzip und dann ein Kreisbeschleuniger (Zyklotron), der Die Stadt Heidelberg hatte sich bereit erklärt, ein Gelän-
lische Forschung in Deutschland. es zweckmäßig sein würde, ein solches Institut in Heidelberg
1944 den Betrieb aufnahm. Unter seinem Direktor Walther de für das neue Institut kostenlos zur Verfügung zu stellen.
Bothe war somit das Teilinstitut für Physik im Kaiser-Wil- zu errichten und weist daraufhin, dass der Plan, den einzigen Als geeignet erwies sich ein völlig verwildertes Waldgelän-
helm-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg zu großen Beschleuniger zu bauen, in Hamburg verwirklicht de um einen ehemaligen Schießstand im Süden 200 m über
einem anerkannten Laboratorium für kernphysikalische For- werden soll. Herr Heisenberg spricht sich ausdrücklich da- der Stadt. 1960 begannen dort die Bauarbeiten an der Halle
schung in Deutschland geworden. für aus, Herrn Professor Gentner für die Max-Planck-Gesell- für den 6-MV-Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger. Erste
schaft zu gewinnen. Er ist jedoch der Ansicht, dass die Stand- wissenschaftliche Ziele waren die Aufklärung der Struktur
Als Walther Bothe am 8. Februar 1957 starb, liefen dort eine ortfrage zunächst geprüft werden müsse und daß auch Herr
Reihe kernphysikalischer Untersuchungen zum Betazerfall der Atomkerne und das Verständnis des Mechanismus von
Gentner gefragt werden solle, ob er nicht vorziehen würde, Kernreaktionen sowie die Anwendung atom- und kernphysi-
und die Experimente von Rudolf Mößbauer, die zur Entde- mit dem für Deutschland größten und modernsten geplanten
ckung des nach ihm benannten Effekts führten: Der Senat kalischer Methoden auf Probleme der Kosmochemie.
Beschleuniger in Hamburg zu arbeiten als mit einem bedeu-
der Max-Planck-Gesellschaft musste über die Weiterentwick- tend kleineren in Heidelberg.“
lung des Instituts entscheiden. Er beschloss im Juni 1957,
Wolfgang Gentner als Nachfolger zu berufen. Der Beschluss des Senats lautete schließlich: „Auf Wunsch
Das Kaiser-Wilhelm-Institut für medizinische Forschung 1931. von Herrn Heisenberg erklärt sich der Senat damit einver-
Walther Bothe (1891–1957) war einer der wenigen, der seine standen, dass Herr Heisenberg im Hinblick auf eine rationelle
Doktorarbeit bei Max Planck angefertigt hat. Danach arbeite- Planung unter übergeordneten Gesichtspunkten die Frage des
te Bothe zusammen mit Hans Geiger an elektrischen Zählme- Standorts des geplanten Instituts für Herrn Prof. Gentner in
thoden für radioaktive Strahlungen und schuf damit die Vor- dem Arbeitsausschuss für Kernphysik des Atomministeriums
aussetzungen für die Lösung kernphysikalischer Probleme. zur Sprache bringt, dem auch Herr Gentner angehört. Da der
Die von Bothe entwickelte Koinzidenz-Methode lieferte nicht Plan für Herrn Gentner dem Senat noch nicht spruchreif er-
nur Aufschlüsse über die Natur der kosmischen Strahlung scheint, stellt der Senat die Beschlussfassung zurück und be-
durch den Nachweis extrem energiereicher Teilchen, sie wur- auftragt die G.V., die weiteren Verhandlungen zu führen.“
de überdies zu einer der wichtigsten Messmöglichkeiten in Die Sitzung des Arbeitsausschusses fand am 13. Januar 1958
der Kernphysik. Dafür erhielt er 1954 als erstes Mitglied der im Ministerium in Bad Godesberg statt. In seiner Sitzung am
Max-Planck-Gesellschaft nach 1945 den Nobelpreis für Phy- 27. März 1958 in Ludwigshafen fasste der Senat der MPG Offizielle Eröffnung des MPIK am 8. November 1962: Wolfgang
sik (zusammen mit Max Born). Die von Bothe bei Versuchen die Situation dann zusammen und stellte fest: „Der Arbeits- Gentner mit Otto Hahn, Siegfried Balke (Bundesminister für
mit Radium und Beryllium entdeckte harte Gammastrahlung Ein Labor- und Arbeitszimmer im Institut für Physik 1931. ausschuss hat sich für Heidelberg ausgesprochen und auch Atomkernenergieforschung) und Werner Heisenberg.
Die früheren Direktoren
sien. 1964 wurde der deutsch-israelische Wissenschaftleraus-
tausch durch einen Vertrag zwischen dem Weizmann-Institut
Wolfgang Gentner und der Minerva GmbH institutionalisiert. Das Büro der dar- Ulrich Schmidt-Rohr Peter Brix
(1906–1980) aus hervorgegangenen Minerva-Stiftung war bis Ende 2002 (1926–2006) (1918–2007)
am MPIK angesiedelt.
Direktor am Institut von 1958 bis 1974 W. Gentner konnte die guten Beziehungen zu französischen Direktor am Institut von 1966 bis 1994 Direktor am Institut von 1972 bis 1986
Kollegen um F. Joliot, die er bei seinem ersten Aufenthalt am
Radiuminstitut aufgebaut hatte, auch während des Krieges
Strahlen-Biophysik, Kernphysik, Kernphotoeffekt, aufrechterhalten und die Kollegen unterstützen, als er an das Beschleunigerphysik, Kernreaktionsmodelle und Experimentelle Bestimmung von Kernmomenten,
Beschleunigerentwicklung, Geochronologie, besetzte Institut in Paris abkommandiert worden war. Paritätsverletzung, Schalenstruktur der Atomkerne, -radien und -anregungen, Kernstrukturphysik,
Kosmochemie, Archäometrie So ist es auch zu verstehen, dass er nach dem Krieg den Ruf Kernspektroskopie Schwerionenphysik, Beschleunigerentwicklung
Studium der Physik in Erlangen und Frankfurt, Promotion nach Freiburg, also in die damalige französische Besatzungs- Studium der Physik in Berlin, Braunschweig und Heidelberg, Studium der Physik in Kiel, Rochester und Berlin, Promotion
Univ. Frankfurt (1930), am Radiuminstitut bei Marie Curie, zone, anderen Rufen vorzog, um dort das zerstörte Physika- Promotion bei Walther Bothe Univ. Heidelberg (1953), FSSP (1946) Habilitation (1952) Univ. Göttingen, Postdoc National
Paris (1933-1935), bei Walther Bothe am KWImF, Heidelberg lische Institut wieder aufzubauen. Außerdem waren ihm die Fellow MIT Boston (1954), Assistent am Institut für Physik Research Council of Canada in Ottawa, Dozent Univ. Hei-
(1935-1946), Forschungsaufenthalt in Berkeley (1938), Paris nach Hechingen ausgelagerten ehemaligen Kaiser-Wilhelm- im MPImF Heidelberg: beteiligt am Umbau des Zyklotrons delberg (1953-1956), Professor TH Darmstadt (1957-1972), o.
(1940-1941), o. Professor Univ. Freiburg (1946-1957). Institute unterstellt. Mit deren kernphysikalischer Abteilung (1955-1960), Habilitation (1960), Wissenschaftliches Mit- Professor Univ. Heidelberg (ab 1972).
Präsident der Heidelberger Akademie der Wissenschaften konnte er seine Forschungsmöglichkeiten in den ersten Nach- glied am MPIK (1960-1962), Direktor des Instituts für Kern- Maßgeblich beteiligt an der Gründung der GSI, Vizepräsident
(1964-1968), Vorsitzender der CPT-Sektion (1967-1969), kriegsjahren wesentlich erweitern. physik an der KFA Jülich (1963-1965), Honorarprofessor Univ. der DFG, Mitglied im Wissenschaftlichen Rat von DESY,
Vizepräsident der MPG (1972-1978), Officier de la Legion W. Gentner reiste mit einer Delegation der Max-Planck-Ge- Heidelberg (1966-1994). GSI und HMI, Vorsitzender DPG-Fachausschuss Kernphy-
d‘Honneur, Frankreich (1965), Mitglied des Ordens Pour le sellschaft 1974 nach China, die einen Neubeginn der Bezie- Vorsitzender DPG-Fachausschuss Kernphysik, Mitglied im sik, Heidelberger Akademie der Wissenschaften und Deut-
Merite (1974, ab 1976 Vizekanzler). hungen nach der Kulturrevolution vereinbaren konnte. DPG-Vorstandsrat, Initiator des Arbeitstreffens Kernphysik. sche Akademie der Naturforscher Leopoldina.
W. Gentner war wesentlich an der Gründung des CERN be-
teiligt; er war zusammen mit W. Heisenberg und A. Hocker
Mitglied der deutschen Delegation im ab 1951 tagenden Vorbe- Josef Zähringer Hans Arwed Weidenmüller Hugo Fechtig
reitungsausschuss und wirkte nach Gründung des CERN-Ra- (1929–1970) (geb. 1933) (geb. 1929)
tes 1952 an den Planungen für das Synchrozyklotron und das
Protonensynchrotron mit. Von 1955 bis 1959 war er Direktor Direktor am Institut von 1966 bis 1970 Direktor am Institut von 1968 bis 2001 Direktor am Institut von 1974 bis 1994
der Abteilung Synchrozyklotron und Direktor der Forschung
des CERN und 1972-1974 Präsident des CERN-Rates.
Auch zur Gründung der GSI 1969 trug W. Gentner entschei- Edelgas-Isotopenanalyse, Low-Level-Messungen, Stochastisches Verhalten stark wechselwirkender Kosmischer Staub, Mondgestein, Experimente
dend bei und war erster Vorsitzender des wissenschaftlichen Geochronologie, Kosmochemie, Meteorite, Tektite, Quantensysteme, Streutheorie, Theorie der mit Höhenforschungsraketen und Raumsonden,
Rates der GSI, zu der das MPIK enge Beziehungen pflegt. Mondgestein, Atmosphärenforschung Zufallsmatrizen, Supersymmetrie Gasdiffusion in Meteoriten
Die Reise im Dezember 1959 von W. Gentner mit seiner Frau, Studium der Physik, Mathematik, Chemie und Mineralogie Studium der Physik in Bonn und Heidelberg, Promotion Univ. Studium der Physik, Promotion bei Wolfgang Gentner Univ.
O. Hahn und F. Lynen nach Israel wurde zu einem Meilenstein in Freiburg und Göttingen, Promotion bei Wolfgang Gentner Heidelberg (1957), Postdoc Univ. Minnesota (1958-1959) und Freiburg (1958), Assistent am MPIK (1958-1962), Univ. Cali-
in der Begründung der deutsch-israelischen Wissenschaftsbe- Univ. Freiburg (1956), Postdoc Brookhaven National Labo- California Inst. of Technology (1959-1960), Assistant Profes- fornia und Air Force Cambridge Research Laboratories (1962-
ziehungen, deren Etablierung und weitere Entwicklung von ratory (1956-1958), Habilitation Univ. Heidelberg (1963), ab sor California Inst. of Technology (1960-1962), o. Professor 1963), Wissenschaftlicher Mitarb. am MPIK (1965-1974),
ihm vorangetrieben wurde. In Anerkennung dieser Pionierrol- 1958 am MPIK, wesentliche Mitarbeit beim Aufbau des Ins- für theoretische Physik Univ. Heidelberg (seit 1963). Honorarprofessor Univ. Heidelberg (1975-1994), Smithonian
le ernannte ihn das Weizmann-Institut 1965 zum Ehrenmit- tituts, insbesondere der Kosmochemie, ab 1964 wissenschaft- Vorstand Weizmann Institute of Science, Rehovot (seit 1983), Astrophys. Obs. (1977), Distinguished Visiting Scientist JPL
glied und 1975 zum einzigen deutschen Mitglied des Board of liches Mitglied. Senator der MPG (1993-1999), Vorsitzender Auswahlaus- (seit 1984).
Governors. Nach seinem Tod wurde ein Gentner-Lehrstuhl Nach Josef Zähringer wurde 1976 ein kleiner Einschlagkra- schuss Max-Planck-Forschungspreis (1995-2001), Heidelber- Mitglied Space Science Advisory Committee ESA (1984-
am Weizmann-Institut eingerichtet und die regelmäßigen ter nahe dem südöstlichen Rand des Mare Tranquillitatis auf ger Akademie der Wissenschaften und Deutsche Akademie 1986), Mitinitiator der Giotto- und Rosetta-Missionen der
Minerva-Symposien erhielten den Namen Gentner-Sympo- dem Mond benannt. der Naturforscher Leopoldina, Max-Planck-Medaille. ESA. Nach Hugo Fechtig wurde 1991 ein Planetoid benannt.
Die heutigen Direktoren
Werner Hofmann Manfred Lindner
Heinrich J. Völk Dirk Schwalm (geb. 1952) (geb. 1957)
(geb. 1936) (geb. 1940) leitet seit 1988 die Abteilung leitet seit 2006 die Abteilung
Direktor am Institut von 1975 bis 2004 Direktor am Institut von 1993 bis 2005 Teilchenphysik und Hochenergie-
Astrophysik Teilchen- und Astroteilchenphysik
Entstehung des Sonnensystems, Sternentstehung Atomphysik, Molekülphysik und Kernphysik Studium der Physik, Promotion Univ. Karlsruhe (1977), Ha- Studium der Physik, Promotion LMU München (1987), Post-
in Galaxien, Physik astrophysikalischer Plasmen, mit energetischen schweren Ionen, bilitation im Fach Physik Univ. Dortmund (1980), Heisen- doc am Fermi National Accelerator Lab., Chicago (1987),
Hochenergie-Gammaastronomie Beschleunigerentwicklung berg-Stipendiat (1981), Assistant Professor (1984), Associate CERN Fellow, Genf (1989), Habilitation im Fach Physik an
Professor (1985) und Professor (1987) Univ. Berkeley/USA, der Universität Heidelberg (1992), Professor TU München
Studium der Physik, Promotion Univ. München (1965), MIT, Studium der Physik in Tübingen, Freiburg und Heidelberg,
Honorarprofessor Univ. Heidelberg (seit 1989). (1993), Honorarprofessor Univ. Heidelberg (seit 2006).
Cambridge, USA (1965-1967), MPI f. extraterrestrische Phy- Promotion Univ. Heidelberg (1969), Brookhaven National
Descartes Research Prize für H.E.S.S. (2006). Heisenberg-Stipendiat (1991).
sik (1967-1974), Research Fellow Enrico Fermi Inst, Chica- Lab. (1970-1972), Habilitation Univ. Heidelberg (1974), Lei-
go (1973-1974), Habilitation im Fach Physik TU München tender Wissenschaftler bei der Gesellschaft für Schwerio-
(1974) Honorarprofessor der Univ. Heidelberg (1976-2004), nenforschung in Darmstadt (1976-1981), o. Professor für Ex- Joachim H. Ullrich Klaus Blaum
Distinguished Visiting Professor der Univ. of Chicago (1982). perimentalphysik Univ. Heidelberg (1981-1993), Dekan der
Fakultät für Physik und Astronomie Univ Heidelberg (1987- (geb. 1956) (geb. 1971)
Academia Europaea, London (seit 1988), Vorsitzender der
Präsidentenkommission „Astronomie“ der MPG (1991-1992), 1988), Honorarprofessor Univ. Heidelberg (1993-2005). leitet seit 2001 die Abteilung leitet seit 2008 die Abteilung
Victor Hess Memorial Lecture (2001), Koordinator LEA Joseph Meyerhof Visiting Professor, Physics Department, The Experimentelle Mehrteilchen-
Gamma-Ray Astronomy at High Energies (2001-2005). Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel (seit 2006). Quantendynamik Gespeicherte und gekühlte Ionen
Studium der Geophysik und Physik, Promotion (1987), Ha- Studium der Physik, Promotion (2000), Habilitation Univ.
bilitation Univ. Frankfurt (1994), GSI (1989), Kansas Sta- Mainz (2006), Pacific Northwest National Laboratory, USA
Bogdan Povh Konrad Mauersberger te Univ., Univ. of Missouri Rolla (1995), o. Professor Univ. (1999-2000), CERN (2000-2004), GSI (2000-2002), Helm-
(geb. 1932) (geb. 1938) Freiburg (1997), Honorarprofessor Univ. Heidelberg (2001), holtz-Hochschul-Gruppe (2004-2008), Honorarprofessor
Consultant Professor Fudan University, Shanghai (seit 2003), Univ. Heidelberg (seit 2008).
Direktor am Institut von 1975 bis 2000 Direktor am Institut von 1994 bis 2003 Chair CFEL Managing Board (2008). Gustav-Hertz-Preis der DPG (2004), Mattauch-Herzog-Preis
Leibniz-Preis (1999), Philip-Morris-Forschungspreis (2006). der DGMS (2005).
Physik Hadronischer Systeme, Hyperkerne, Physikalische und chemische Atmosphärenprozesse,
tiefinelastische Streuung, Hochenergie-Kernphysik, Ozonisotopiestudien, Aerosolbildungsprozesse, polare
Christoph H. Keitel Daniel Zajfman
Schwermetalle in Pflanzen Stratosphärenwolken, Labor- und Feldexperimente. (geb. 1965) (geb. 1959)
Studium der Physik, Promotion Univ. Ljubljana (1960), Cali- Studium der Physik in Hamburg und Bonn, Promotion Univ. leitet seit 2004 die Abteilung (auswärtiges wissenschaftliches Mitglied)
fornia Inst. of Technol. (1957-1959), Habilitation Univ. Frei- Bonn (1968), Research Associate (1968), Assistant Profes- Theoretische Quantendynamik in leitete von 2005 bis 2006 kommissarisch
burg (1964), Professor Univ. Heidelberg (seit 1965), Leiter sor (1974), Associate Professor (1977) und Professor Univ. of starken Laserfeldern die Abteilung von Dirk Schwalm
einer Gastgruppe am CERN (ab 1968), Forschungsaufent- Minnesota (1982), Honorarprofessor Univ. Heidelberg (1994-
halte am CERN (1969-1970 und 1983-1984), Berkeley (1972- 2003). Studium der Physik, Promotion Univ. München (1992), Ha- Studium der Physik, Promotion Israel Institute of Technology,
1973), Los Alamos (1988-1989), Gastprofessor Univ. Califor- Academia Europaea, London (seit 1999). bilitation Univ. Freiburg (2000), University of New Mexico, Haifa (1989), Postdoc Argonne National Laboratory, Illinois,
nia, Berkely (1997). Albuquerque/USA (1989-1992), Imperial College, London USA (1989-1991), seit 1991 Weizmann Institute of Science,
Herausgeber der Zeitschrift für Physik A, später The Euro- (1992-1997), Marie Curie Fellow (1997-1998), Universität Rehovot, Israel, seit 2006 dessen Präsident.
pean Physical Journal A (1978-2000, ab 1989 leitend), Stern- Freiburg (1998-2003), Universität Düsseldorf (2003-2004).
Gerlach-Medaille (2005). Gustav-Hertz-Preis der DPG (2003).
Rechenzentrum
Zyklotron
MP-Tandem
EN-Tandem
Quantendynamik
Nachbeschleuniger
Kernphysik
TSR und Hochstrominjektor
3-MV-Pelletron
Q3D-Magnetspektrograph
EBIT
Theoretische Quantendynamik
Experimentelle Quantendynamik
Kalte Molekülionen und ultrakalte Ensembles
Wechselwirkung von Teilchen mit Materie / Atomphysik Atom- und Molekülphysik am TSR
Messungen an gespeicherten und gekühlten Ionen
Kernstruktur und Spektroskopie Präzisionsmassenmessungen
Nukleare Schwerionenphysik
Kernreaktionen
Nukleare Festkörperphysik
Theoretische Vielteilchenphysik Vielteilchenphysik und Feldtheorie
Physik schwerer Quarks
Mittel- und Hochenergiephysik Struktur der Baryonen
Experimentelle Hochenergie-Gammaastronomie
Theoretische Astrophysik und Hochenergieastrophysik Theoretische Hochenergieastrophysik
Astroteilchenphysik
Theoretische Astroteilchenphysik
Experimentelle Neutrinophysik
Kosmochemie
Infrarotastrophysik
Laborastrophysik / Kohlenstoffmoleküle und Fullerene
Kosmischer Staub
Kosmische Strahlung
Atmosphärenphysik
Altersbestimmumg Geochemie und Archäometrie Archäometrie
Herkunft der Tektite
Meteoritenforschung
Untersuchungen an Mondgestein
2-MV-Van-de-Graaff-Staubbeschleuniger
Low-Level-Labor
Außenstelle Schauinsland
1958 1968 1978 1988 1998 2008 
Beschleunigeranlagen Ionenquellen und EBIT
Das Heidelberger Zyklotron Investitionen setzte man ab 1974 auf die eigene Entwicklung Ionenquellen der Beschleunigeranlage
Das 1943 von W. Bothe am KWI für medizinische Forschung einer neuen, kompakten Beschleunigerstruktur (Spiralreso- Im Hinblick auf die vielfältigen Anwendungen wurden am
aufgebaute erste deutsche Zyklotron erfuhr 1955/56 unter U. nator, siehe Titelbild), die eine Herstellung und Bearbeitung MPIK beschleunigertechnisch bedeutsame Ionenquellen
Schmidt-Rohr einen Umbau und diente bis 1973 vor allem in den Institutswerkstätten erlaubte. Auch erwies sich der entwickelt und ein flexibles System solcher aufgebaut. Hier-
Untersuchungen der Kernstruktur, von Kernreaktionen mit Umbau-Aufwand am MP-Tandem als gering. zu zählen für leichte Ionen Duoplasmatrons und für schwere
leichten Ionen und der Erzeugung von Isotopen. Nach einem Vergleichstest zugunsten warmer Spiralresona- Ionen negative Penning-Quellen und Sputterquellen. Die im
toren gegenüber supraleitenden Strukturen erfolgte die Be- Pelletron installierte Penning-Quelle liefert ein weites Spek-
Der EN-Tandem- willigung einer 3-MV-Teststrecke mit 10 Spiralresonatoren, trum komplexer Molekülionen, die über den MP-Tandem und
Van-de-Graaff- die Anfang 1978 in Betreib ging. Als HF-Quellen dienten Nachbeschleuniger in den Speicherring TSR transportiert
Beschleuniger umgebaute UKW-Rundfunksender. Ein Novum war damals werden können.
Der erste Beschleu- das digitale Kontrollsystem. Bereits 1979 konnte der Nach-
niger dieser Art beschleuniger um 20 Resonatoren erweitert werden und er- Quellen für polarisierte Ionen
in Europa war am reichte 1980 seine endgültige Größe mit 40 Resonatoren. 1972 bauten D. Fick und E. Steffens am EN-Tandem eine
MPIK von 1962 Für die Ausbaustufen konnten speziell für diesen Zweck ent- Quelle für polarisierte 6Li-Ionen (ab 1976 auch 7Li und 23Na)
MP-Tandem, technische Daten: 6 Pelletron-Ketten, maximale
bis 1989 in Be- wickelte HF-Generatoren eingesetzt werden. – weltweit der erste Ionenstrahl dieser Art. 1983 folgte eine
Spannung 12 (14) MV; Drucktank: Durchmesser 5,5 m, Länge
trieb. Das Tandem- Die Nachbeschleuniger-Strahlen dienten anfangs vor allem neue, optisch gepumpte Quelle für 7Li und 23Na, die bis 1989
24 m, Gewicht 128 t, Schutzgas: 5 bar SF6.
Heidelberger Zyklotron (1943/56–1973): Prinzip nutzt die den kernphysikalischen Experimentierplätzen (z. B. Kristall- betrieben wurde und in Kombination mit MP-Tandem, Nach-
Gewicht Magnet: 80 t, Magnetfeld: Hochspannung am ionen-Experimenten, welche die besonders energiereichen kugelspektrometer). Wenn auch heute der Bedarf an hochen- beschleuniger und Kirstallkugelspektrometer einzigartig war.
1,7 T, 1-Dee-System für 12,9 MHz, max. zentralen Terminal und hochgeladenen Ionen am Tandem ausnutzten. Nach dem ergetischen Schwerionenstrahlen in Heidelberg stark zurück-
Energie für Deuteronen: 11,8 MeV. mehrfach aus, in- Aufbau des Speicherrings TSR verlagerten sich das Interesse Hochgeladene Ionen: EBIT
gegangen sind, bewährt sich das Konzept des Beschleunigers
dem negative Ionen auf die Atom- und Molekülphysik. Die ständige Weiterent- noch immer für die Versorgung des TSR-Speicherrings in Ab 2001 wurde von J. Crespo und J. Ullrich die Freiburger
zunächst dorthin beschleunigt, durch Abstreifen von Elek- wicklung der Ionenquellen des Tandems konnte hierfür das besonderer Weise. Elektronenstrahl-Ionenfalle (Electron Beam Ion Trap, EBIT)
tronen in einem Folien- oder Gastarget umgeladen und dann Strahlen-Angebot molekularer Ionen erheblich vergrößern. am MPIK neu aufgebaut. Der Schwerpunkt der Anlage liegt
entsprechend ihrem Ladungszustand nochmals beschleunigt in der Erzeugung und Spektroskopie hochgeladener Schweri-
werden. Die mit einem Bandgenerator erzeugte maximale Das 3-MV-Pelletron onen, wie sie z. B. in Sternatmosphären aber auch in tech-
Spannung betrug 6 MV. Zum Schutz vor Überschlägen be- Der heutige Pelletron-Beschleuniger wurde 1974 als Pro- nisch relevanten Plasmen (Fusionsforschung) vorkommen.
fand sich die Anlage in einem Drucktank (Durchmesser 4 m, toneninjektor für den HERA-Beschleuniger (DESY, Ham- Mittels eines extrem komprimierten, energetischen Elektro-
Länge 11 m) unter 12 bar N2 /CO2. burg) gebaut. Seit 1982 am MPIK erfuhr er einen Umbau nenstrahls können praktisch Ionen jedes Elements in belie-
zu einem negativen 3-MV-Schwerioneninjektor für den MP- bigen Ladungszuständen präpariert werden. Sie stehen in der
Der EN-Tandem diente vor allem der Untersuchung von Kern-
Nachbeschleuniger. Mit der Stillegung des EN-Tandems 1989 Falle für Präzisionsmessungen oder extrahiert als Ionenstrahl
reaktionen sowie der Kernspektroskopie und der Atomphysik.
wurde für die μ-PIXE-Anlage (siehe S. 18) ein Beschleuniger für Stoßexperimente zur Verfügung.
Er gilt als Wiege der Schwerionenphysik. Einige der für den
EN-Tandem entwickelten Komponenten werden heute noch für stabile 3-MV-Protonenstrahlen gebraucht. Hierzu wurde
in anderen Beschleunigern weiter betrieben. das Pelletron erneut in einen positiven Protonenbeschleuni-
ger umgebaut. Seit Abschluss der PIXE-Experimente wird
Der MP-Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger das Pelletron hauptsächlich zur Injektion komplexer Mole-
Seit 1967 ist der „Emperor“-Tandem mit mehr als 262 000 Be- külionen in den Speicherring TSR verwendet (erneuter Um-
triebsstunden im täglichen Einsatz. Mit der Serien-Nr. 5 des bau 2007). Der Tank (Füllung 5 bar SF6, Durchmesser 2,5 m,
Herstellers „High Voltage Engineering“ war er der erste dieses Länge : 5,8 m) verfügt über einen Schnellverschluss. Heidelberger Nachbeschleuniger: 40 Spiralresonatoren für
Typs in Europa. Er wurde seither kontinuierlich an den neu- 108,48 MHz, 12/24 MV effektiv durchfallene Spannung (CW/
esten Stand der Technik angepasst und verfügt über ein voll Der Heidelberger Nachbeschleuniger Puls)
digitales Regel- und Steuersystem. Gepulste Strahlen von ms Das zunehmende Interesse an Kernreaktionen mit Schwer
bis ps Pulsdauer können bereitgestellt werden. Nach anfäng- ionen erforderte immer höhere Teilchenenergien, weshalb Weitere Beschleuniger
lichem Schwerpunkt in der Untersuchung von Kernstruktur schon ab ca. 1972 über den Aufbau eines Nachbeschleuni- • Hochstrominjektor für den TSR (siehe Seite 12) Der transportable EBIT-Aufbau am Freie-Elek-
und Kernreaktionen gab es eine längere Phase mit Schwer gers nachgedacht wurde. Aufgrund der zu erwartenden hohen • Staubbeschleuniger (siehe Seite 28) tronen-Laser FLASH in Hamburg.
10 11
Schwerionenspeicherring TSR und ultrakalter Speicherring CSR Spektrometer
Der Schwerionenspeicherring TSR zum Test der speziellen Relativitätstheorie, welches 2007 Das (�/2)√13-Betaspektrometer sucht. Letztere Methode war eine Eigenentwicklung, deren
Im Zuge einer Neuformulierung der kernphysikalischen Einsteins Vorhersagen mit der bisher besten Genauigkeit von 1968 wurde dieses Grundidee auf die durch J. Zähringer bekannt gewordene He-
Ziele des Instituts wurde 1984 ein Speicherring für gekühlte 8×10 –8 bestätigen konnte. Spektrometer in einem lium-Mikrosonde zurückgeht. Die Technik der Massenspek
Schwerionen für das Beschleunigerlabor konzipiert. Hierzu Der TSR erlaubt eine sehr präzise Spektroskopie von Ionen separaten eisenfreien trometrie wurde am Institut ständig weiter entwickelt sowie
fand gemeinsam mit der GSI Darmstadt und der Universität über resonante Einfangreaktionen und bietet die Möglichkeit, Messhaus in Betrieb kompakte und robuste Geräte für den Einsatz auf Satelliten,
Heidelberg ein internationaler Workshop statt. Im Hinblick Molekülionen quasi unter Weltraumbedingungen zu untersu- genommen. Der Name Raketen, Ballons und Flugzeugen gebaut.
auf den später an der GSI realisierten Experimentier-Spei- chen (siehe S. 20). Um die Wechselwirkung mit Elektronen bezieht sich auf den Fo-
cherring ESR bekam die Heidelberger Anlage den Namen unabhängig vom Kühlbetrieb mit verbesserter Auflösung zu kussierungswinkel von Das Kristallkugelspektrometer
„Test-Speicherring“ (TSR). Nach zweijähriger Bauzeit konn- studieren, wurde 2003 ein separates Elektronentarget mit ei- 324,5°. Es vereinigte Zur Untersuchung seltener g-Zerfälle (z. B. von Spaltisome-
ten Ende 1987 in der erweiterten Beschleunigerhalle die ner Temperatur von 5 K installiert. Derzeit ist am Ring ein eine große Akzeptanz ren) wurde in einem gemeinsamen Projekt des MPIK mit der
ersten Ionen in den TSR injiziert werden und im November Reaktionsmikroskop im Aufbau, welches 2009 in Betrieb ge- (1%) mit hoher Energie- GSI Darmstadt ein Kristallkugelspektrometer aufgebaut und
1988 gelang weltweit erstmals die Kühlung eines gespeicher- hen soll. auflösung (5×10 –4) und 1982 – als weltweit erster großer 4p-Detektor – in Betrieb ge-
ten Schwerionenstrahls. wurde viele Jahre für nommen. Es bestand aus einer Hohlkugel mit 162 fünf- und
Zur Kühlung wird der Ionenstrahl mit einem kalten Elek Der Hochstrominjektor Präzisionsspektroskopie sechseckigen NaI-Zählern, welche den vollen Raumwinkel
Über den Tan- von Konversionselektro- abdeckten (siehe Titelbild). Für Experimente, die hohe Auf-
tronenstrahl überlagert und wie in einem Wärmetauscher die
dembeschleuni- nen genutzt. lösung erforderten, konnten einzelne NaI-Zähler durch Ge-
Wärme an das ständig erneuerte Elektronenbad abgeführt.
ger hinaus bietet (π/2)√13-Spektrometer: Die großen Halbleiterzähler ersetzt werden.
Die niedrigsten Temperaturen liegen bei 100 K. Der Spei-
cherring hat einen Umfang von 55,4 m und vier gerade Sek- der Hochstrom Der Vielspalt- dünnen Spulen kompensieren das
injektor seit Magnetspektrograph Erdmagnetfeld.
Reaktionsmikroskope
tionen für die Injektion, den Elektronenkühler und zwei Ex- Mit der Berufung von J. Ullrich an das MPIK hielt ab 2001
perimentierplätze. Im Ring kann eine Vielzahl von atomaren 1998 den Zu- Der 1969 aufgebaute Analysiermagnet bestand aus einem To-
gang zu Spezi- rus mit 29 Spalten von je 1,6 cm Breite. Bei einer Feldstärke eine neue Art der Spektroskopie Einzug, die 1994, basierend
und molekularen Ionen in verschiedenen Ladungszuständen auf Rückstoßimpulsspektroskopie kalter Ionen (COLTRIMS),
mit bis zu 6% der Lichtgeschwindigkeit gespeichert werden. alionenquellen von 1,6 T wurden Protonen bis 93 MeV mit einer Auflösung
(etwa Kryo- und von 1% zeitgleich unter 29 Winkeln nachgewiesen. Zur Auf- von R. Moshammer und J. Ullrich (U Frankfurt und GSI
Dank des guten Vakuums im Bereich von 10 –11 mbar sind je Darmstadt) entwickelt worden war. Diese „Reaktionsmikros-
nach Ionenart Speicherzeiten von Sekunden bis Stunden er- Laserquellen für nahme dienten einzelne Kernphotoplatten, die in einem eige-
Moleküle) so- nen Labor ausgewertet wurden. Der Vakuumtank hatte ein kope“ erlauben die impulsaufgelöste Vermessung der Frag-
reichbar.
wie wesentlich RFQ-Beschleunigerstruktur des Hochstrom Gewicht von 80 t bei einem Durchmesser von 4,9 m. mente atomarer Reaktionen und liefern einen detaillierten
Für noch niedrigere Strahltemperaturen im mK-Bereich wur-
höhere Strahl injektors. Einblick in die Dynamik von Quantensystemen. In den letz-
de am TSR erstmals Laserkühlung von relativistischen Lithi- Der Q3D-Magnetspektrograph ten Jahren wurden Reaktionsmikroskope für vielfältigen Ein-
intensitäten.
um-Ionen realisiert. Hieraus entwickelte sich ein Experiment satz in Experimenten zur Wechselwirkung von Materie mit
Herzstück seiner am Institut entwickelten Technologie ist Die Planungen für einen hochauflösenden Spektrographen
ein Doppelkammer-Radiofrequenz-Quadrupolbeschleuniger aus einem Quadrupol (Q) und drei Dipolmagneten (D) be- geladenen Teilchen und Laserfeldern vom Infrarot- bis in den
(RFQ). Auf der Basis des Hochstrominjektors hat das Institut gannen 1969. Bei einer Energieauflösung von 2×10 –4 wurde Röntgenbereich optimiert.
den REX-ISOLDE-Beschleuniger bei CERN von 1995–2001 ein Energiebereich von ±10% abgedeckt. Eine Besonderheit
entscheidend mit aufgebaut. stellte das Luftlager auf einer polierten Granitplatte von 8,8 m
Durchmesser dar, welches eine leichte Drehbarkeit des 140 t
Der elektrostatische kryogene Speicherring CSR schweren Gerätes um seine Achse erlaubte (siehe Titelbild).
Der im Aufbau befindliche elektrostatische, kryogene Spei- Diese Entwicklung des Instituts wurde zum Prototyp der spä-
cherring CSR wird den Weg zur Speicherung von Ionenstrah- ter weltweit meistverwendeten Magnetspektrographen.
len bei extrem geringen Dichten der Wärmestrahlung und des
Restgases ebnen. Die am TSR erfolgreichen Methoden wer- Edelgas-Massenspektrometer und -Ionensonden
den damit für rotationskalte Molekülionen, große organische Zum Nachweis von Edelgasisotopen kamen seit 1958 in der
Moleküle und Cluster, sowie Schwerionen in den höchsten Kosmochemie Massenspektrometer zum Einsatz. Die festen
Ladungszuständen bei besonders geringen Strahlgeschwin- Proben wurden entweder thermisch aufgeschlossen und da- Prinzip eines Reaktionsmikroskops: Die geladenen Frag-
digkeiten weiterentwickelt und so einzigartige Präzisionsexpe- nach die gereinigten Gase durch Elektronenstoß ionisiert oder mente werden mit elektrischen und magnetischen Feldern
Der Schwerionenspeicherring TSR. rimente zur Quantendynamik dieser Systeme ermöglichen. mittels eines Ionenstrahls orts- und tiefenaufgelöst unter- auf großflächige Detektoren abgebildet.
12 13
Low-Level-Labor Feinwerktechnik und Konstruktion Elektronik-Labor Rechenzentrum
Von J. Zähringer wurde bereits bei der Gründung des MPIK Als einer der ersten Neubauten des neuen Instituts wurde Die 1959 eingerichtete Elektronikwerkstatt des MPIK unter- Der 1964 beschaffte GIER-Rechner erwies sich für das wach-
noch in den alten Räumen am MPI für medizinische For- nach dem Beschleunigerbau das zentrale Gebäude für die gliederte sich an ihrem neuen Standort schon bald im Hin- sende Forschungsprogramm schon bald als nicht ausreichend,
schung ein erstes Low-Level-Labor eingerichtet. mechanischen und elektronischen Werkstätten fertig gestellt. blick auf spezielle Aufgaben, so z. B. für Raketenelektronik. so dass 1966 eine CDC 3300 installiert wurde. 1967/68 konn-
Zusammen mit dem „Kosmochemiegebäude“ – dem heu- Ergänzend zur Hauptwerkstatt erhielten die Tandem-Be- Seit Ende der 1960er-Jahre bildeten sich im Zuge dieser Spe- te mit Sondermitteln des Bundes ein eigenes Rechenmaschi-
tigen Wolfgang-Gentner-Laboratorium – wurde 1968 auch schleuniger und die Kosmochemie eigene Werkstätten. We- zialisierung mehrere eigenständige Gruppen heraus: Service nengebäude errichtet werden. Zur Online-Datenaufnahme
ein Messbunker für die Low-Level-Zählapparaturen gebaut. sentlich für den Betrieb der Beschleuniger war ein eigenes und allgemeine Entwicklung, Kernphysik-Elektronik, Elek- dienten ab Anfang der 1970er-Jahre SIGMA-Systeme, später
Er liegt zur Abschirmung der kosmischen Strahlung berg- Targetlabor; noch heute werden die Folien für den Tandem- tronik für Weltraumforschung, Elektronik für Online-Rech- dann PDP-11-Rechner. Der gestiegene Bedarf an Rechenleis-
seits 10 m unter der Erde. Zum Bau wurden Materialien Umlader am Institut herstellt. ner und Datenerfassung. Daneben bestand zeitweise eine ei- tung u. a. durch die theoretische Astrophysik führte 1978 zur
ausgesucht, die arm an natürlicher Radioaktivität sind. Der Anfang der 1980er-Jahre wurden die ersten numerisch ge- gene Elektronik-Gruppe für den Nachbeschleuniger. Ablösung der CDC 3300 durch eine DEC-1090-Anlage. Die
Neutronenfluss der kosmischen Strahlung wird so praktisch steuerten Werkzeugmaschinen zur Fertigung komplizierter Einen wichtigen Schwerpunkt bildete die Entwicklung spe- se erlitt 1982 durch einen Brand schwere Schäden, konnte
eliminiert, während der Myonenfluss nur um etwa einen Fak- Bauteile angeschafft. Zu den großen Projekten des Instituts zieller Messelektronik, die nicht kommerziell erhältlich war. aber noch im gleichen Jahr durch ein DEC-2030-System er-
tor 3 reduziert wird. Temperatur und Luftfeuchtigkeit wer- (Nachbeschleuniger, TSR, Hochstrominjektor, H.E.S.S.) ha- Das Institut wurde so führend auf dem Gebiet guter Nach- setzt werden.
den kontrolliert, wobei größtmögliche Frischluftzufuhr dazu ben Feinwerktechnik und Konstruktion durch Eigenentwick- weiselektronik. Weitere projektspezifische Aufgaben waren Anfang der 1980er-Jahre zogen zwei erste VAX-11/780-Rech-
dient, die 222Rn-Konzentration niedrig zu halten. Zusätzlich lung und -bau – z. T. in Zusammenarbeit mit den Elektronik- Entwicklung und Bau von Steuergeräten, Reinraumtechnik ner in den Keller des Bothe-Labors ein. 1986 folgte eine VAX
werden die Detektoren durch kontaminationsarme Metalle Gruppen – erheblich beigetragen. für die Kosmochemie sowie Elektronik für Raumsonden (z. B. 8650, welche die DEC 2030 im Rechenzentrum ablöste und
abgeschirmt und die Messgeräte mit „sauberem“ Strom von 2001 wurde die bis dahin unabhängige Feinmechanik-Werk- Helios-Projekt). 1984 wurde die rechnergestützte Leiterplat- über Ethernet mit Micro-VAXen zu einem Cluster vernetzt
einem Generator versorgt. Mit diesen Maßnahmen sowie statt des Gentner-Labors (Kosmophysik) mit der zentralen tenherstellung eingeführt. wurde. Mit dem Verkauf der VAX 8650 verlor 1991 das Re-
dem Setzen von Koinzidenz- und Antikoinzidenzbedingungen Feinwerktechnik fusioniert. Bis heute bestehen die eigen- chenzentrum seine Funktion und es vollzog sich die Umstel-
wird die Hintergrundzählrate stark reduziert. ständigen Werkstätten im Beschleuniger-Gebäude; die ehe- lung auf ein dezentrales Netzwerk mit 60 VAX-Rechnern, die
malige Werkstatt des EN-Tandems ist heute vorwiegend für später durch Alpha-Cluster ersetzt wurden. Parallel ging die
das H.E.S.S.-Projekt tätig. Datenverarbeitung auf eine Netzwerkgruppe über. 1993 er-
Myonen Low-Level-Labor MPIK
folgte der Ausbau der internen und externen Datenleitungen
15 m Wasseräquivalent Mit dem Bezug des Werkstattgebäudes Ende 1963 wurde auch
und es zeichnete sich der Beginn des „PC-Zeitalters“ ab.
Neutronen eine eigenständige Ausbildungswerkstatt für Feinwerkmecha-
Die jüngste Ära der Rechenmaschinen am MPIK begann 2002
Intensität [cm-2 s-1]
nik eingerichtet, in der heute jährlich drei Ausbildungsplätze
In Blei erzeugte
Neutronen zur Verfügung stehen. mit dem Aufbau einer PC-gestützten Linux-Farm (28 duale
Prozessoren), gefolgt 2004 (im Zuge der Berufung von C. H.
Bis zur Einfüh- Keitel) von der Einrichtung eines neuen klimatisierten Rech-
Neutronen aus Kernspaltung
rung der ersten nerraums im Keller des Bothe-Labors für einen Linux-Cluster
Rechner zur Geo- mit über 400 Prozessoren und über 100 TByte Speicherplatz.
metrieberechnung 2006 wurde die Anlage nochmals auf über 750 Prozessoren
Mitte der 1980er- Die Nordseite des Werkstattgebäudes 1966.
und 280 TByte Speicherplatz erweitert.
Jahre arbeitete das
Tiefe [m Wasseräquivalent] Konstruktionsbüro Die verschiedenen Gruppen wurden im Jahr 2000 zum Be-
Fluss von kosmischer Strahlung und Neutronen aus natürlicher noch „konventio- reich „Zentrale Elektronik – Entwicklung und Service“ zu-
Aktivität in Abhängigkeit von der Tiefe. nell“ am Zeichen- sammengefasst, welcher dann Ende 2001 im umgebauten
brett. Ab Anfang Rechenmaschinengebäude ein neues Domizil fand. Die Pro-
Im viele Jahre von G. Heusser geleiteten Low-Level-Labor der 1990er-Jahre zessrechnergruppe ging dabei in der heutigen Netzwerkgrup-
werden Detektoren – vorwiegend Germaniumdetektoren und standen dann 3D- pe auf.
Proportionalzähler – für extrem niedrige Zählraten entwickelt CAD-Programme Seit seinen Anfängen betreibt das Elektronik-Labor eine ei-
und getestet. Diese werden bei der Erforschung solarer Neu- zur Verfügung, für 3D-Designstudie „Cluster Sphere“. gene Ausbildung, die heute von einer eigenständigen Aus-
trinos mit den GALLEX/GNO-, Borexino- und LENS-Ex- die zunächst externe Großrechner genutzt wurden. Seit 1996 bildungswerkstatt wahrgenommen wird. Wie auch im Falle
perimenten, des doppelten Betazerfalls mit den Heidelberg- laufen die Programme auf eigenen Workstations. Nach Auflö- der Feinwerktechnik war ein Grund für diese Einrichtung
Moskau- und GERDA-Experimenten und bei der Suche nach sung des Fotolabors wurde der neue Zweig Medientechnik in die Notwendigkeit, für die speziellen Anforderungen eigene
dunkler Materie (HDMS-Experiment) eingesetzt. die Konstruktionsabteilung integriert. Nachwuchskräfte auszubilden. Das Rechenzentrum um 1980 mit der DEC-1090-Anlage.
14 15
Kernspektroskopie Kernreaktionen
Entdeckung des Mößbauer-Effekts Das hohe Auflösungsvermögen des (p/2)√13-Spektrometers Reaktionen mit leichten Ionen Potentialfläche auftreten. Diese wurden in einem langjäh-
In die Gründungsphase des MPIK fiel die ermöglichte die präzise Vermessung von Betaspektren. Aus Die Gründung des MPIK 1958 ermöglichte den Ausbau des rigen Forschungsprogramm am MPIK untersucht. Für ihre
Entdeckung der rückstoßfreien Kernreso- der Messung der Beta-Endpunktsenergie von Tritium konnte Zyklotron-Labors (u. a. die Einführung moderner Elektronik). Methode, die Lebensdauer von Spaltisomeren mittels eines
nanzabsorption durch R. Mößbauer am 1972 für die Masse des Elektronneutrinos eine Obergrenze Einen Schwerpunkt bildeten Experimente mit Deuteronen: Ladungsseparators zu vermessen, erhielten D. Habs und V.
Institut für Physik des MPI für medizi- von 86 eV abgeleitet werden. Im Grenzbereich von Atom- und elastische Streuung leistete wichtige Beiträge zum optischen Metag 1978 den Physikpreis der DPG.
nische Forschung im Jahr 1957. Mößbauer Kernphysik bewegte sich das Studium der inneren Konversi- Modell und zur Form des Kernpotentials; Reaktionen vom Als weiteres Hilfsmittel zum Studium extrem deformierter
fand, dass überraschenderweise die Wahr- on (direkte Übertragung der Energie bei einem Kernübergang Typ (d,t) und (d,3He) standen am Anfang der Aufklärung der Kerne diente die Gammaspektroskopie. In einem Schwer
scheinlichkeit für resonante Absorption auf die Elektronenhülle). Dank der hohen Messgenauigkeit inneren Schalenstruktur der Kerne, welche später u. a. am ionenstoß in schnelle Rotation versetzte Kerne strahlen ihre
von Gammastrahlung in Festkörpern bei konnte innere Konversion nicht nur an den inneren, sondern Isochronzyklotron in Karlsruhe fortgesetzt wurden. Rotationsenergie in Kaskaden von g-Quanten ab. Weitere Un-
Rudolf Mößbauer auch an den äußeren Schalen studiert werden, wobei sogar
niedrigen Temperaturen stark ansteigt. Die Untersuchung von Strukturen in Anregungsfunktionen ersuchungen befassten sich mit Dipolriesenresonanzen, bei
Grund hierfür ist, dass der Festkörper als der Einfluss der chemischen Bindung beobachtbar wurde. denen Protonen und Neutronen in einem Kern gegeneinander
(Ericson-Fluktuationen und Analogzustände) prägte das ex-
ganzes den Rückstoß aufnimmt, was zu einer vernachlässig- Unter Einbeziehung von Mößbauerdaten ließ sich außerdem schwingen.
perimentelle Programm der Gruppe von T. Mayer-Kuckuk
bar kleinen Energieverbreiterung der Gammastrahlung führt. die Änderung der Kernladungsradien bei Kernanregung be-
/ T. v. Brentano am neuen EN-Tandem ab 1962. Es konn-
Der Mößbauer-Effekt eröffnete eine neue, wesentlich präzi- stimmen.
te u. a. gezeigt werden, dass der Begriff des Isospins auch Mechanismus von Kernreaktionen
sere Spektroskopie von Gammastrahlung mit vielfältigen An- bei schweren Kernen und hohen Anregungsenergien seine Schwerpunkt der Untersuchung von Reaktionsmechanismen
wendungen für Präzisionsexperimente und in der nuklearen Gammaspektroskopie in Schwerionenstößen waren Fusionsreaktionen und tiefin
Bedeutung behielt. Als wichtige apparative Erweiterungen
Festkörperphysik, u. a. zum Test der allgemeinen Relativi- Mit dem Kristallkugelspektrometer stand seit 1982 das in- elastische Prozesse. Bei letzteren bilden die Kerne kurzzeitig
folgten der MP-Tandem, der Vielspaltmagnetspektrograph
tätstheorie. Die Mößbauer-Spektroskopie entwickelte sich zu ternational leistungsfähigste Gerät zum Nachweis von Gam- ein zusammenhängendes System, das nach Austausch von
und der Q3D-Magnetspektrograph (siehe S. 10, 13) Letztere
einem unersetzlichen Instrument in der chemischen Analyse. mastrahlung nach Kernreaktionen zur Verfügung. Neben der Energie, Drehimpuls und Nukleonen wenig verändert wieder
boten die beste Energieauflösung für die Reaktionsprodukte
Für seine Entdeckung erhielt R. Mößbauer 1961 den Nobel- Gesamtenergie konnten die Zahl, Einzelenergie und Winkel- auseinanderläuft. Die Herausforderung bestand im Nach-
bei gleichzeitig optimaler Zählrate.
preis für Physik. verteilung aller g-Quanten gleichzeitig bestimmt werden. Ne- weis einer größeren Zahl an Reaktionsprodukten, da durch
ben dem Studium der g-Emission aus angeregten Zuständen die hohe Anregungsenergie der Kerne viele Nukleonen abge-
Untersuchungen zum Betazerfall stark deformierter Kerne ermöglichte der große Raumwinkel dampft werden. Die Spektroskopie dieser Teilchen erlaubte
Zu den frühen bedeutenden Experimenten gehörten die Un- insbesondere die Untersuchung seltener Zerfälle. So konn- Rückschlüsse auf den zeitlichen Ablauf der Reaktion und die
tersuchungen zum Betazerfall von 8Li, das am Heidelberger te 1984 von D. Schwalm und D. Habs erstmals der doppel- Frage, ob sie vom Projektil oder Target stammen.
Zyklotron erzeugt wurde. Aus der gemessenen Winkelver- te Gammazerfall eines Atomkerns nach Anregung von 40Ca
teilung der Alphateilchen beim Zerfall des Tochterkerns 8Be durch Protonenbeschuss beobachtet werden, da es gelang,
relativ zur Richtung des Elektrons wurde von K. H. Lauter- den 2-Quanten-Untergrund aus dem konkurrierenden Pro-
jung, B. Schimmer, U. Schmidt-Rohr und H. Maier-Leibnitz zess der Positron-Zerstrahlung aus der inneren Paarbildung Ericson-Fluktuationen für Protonenstreuung an 54Cr.
die Kopplungsart des Betazerfalls abgeleitet. Indirekt führte abzutrennen.
dieses Resultat zur Bestimmung der Antineutrino-Helizität. Schwerionen-Reaktionen
Das erzielte Ergebnis (Rechtsschraubigkeit des Antineutri- Durch den Einsatz der Tandem-Beschleuniger konnte die Un-
nos) hat noch heute Bestand. tersuchung von Kernreaktionen auch auf schwerere Projektile
Die Kernspektroskopie-Gruppe um H. Daniel konzentrierte ausgedehnt werden. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Mas-
sich Anfang der 1960er-Jahre auf die Analyse der b-g-Zir- senbereich zwischen 6Li und 32S. Die Fragestellungen reich-
kularpolarisations-Korrelation und den Aufbau des neuen ten von Anregungszuständen der Kerne (Deformation, Ein-
(p/2)√13-Spektrometers. Ziel war u. a. die Bestimmung der teilchenanregung, Rotation oder Schwingung der Nukleonen)
so genannten Fermi-Beiträge zum Betazerfall durch genaue bis zum Mechanismus von Kernreaktionen und dem Versuch,
Vermessung der Form der Spektren wie auch der b-g-Zirku- schwere Kerne mit statistischen Modellen zu beschreiben.
larpolarisation. Wichtigster Beitrag war die Untersuchung von Winkelverteilung von a-Teilchen, die beim Stoß von Schwefel-
144
Ce: Spektralform, b-g-Richtungskorrelation und -Zirkular- Untersuchung von deformierten Kernen mit Niobkernen (obige Skizze) emittiert werden (volle Punkte).
polarisation ergaben eine Obergrenze für die pseudoskalare Besonders große Kerndeformationen treten vor der Kernspal- Die a-Teilchen aus dem Nb-Kern (offene Punkte) werden durch
Beimischung zum Betazerfall, die lange Zeit Gültigkeit besaß Summenspektrum für den doppelten Gammazerfall von 40Ca tung auf, wobei in bestimmten Fällen metastabile Zustände den auslaufenden Schwefelkern abgeschattet, woraus der Zeit-
und in die Lehrbücher einging. (Pfeil) nach Anregung durch unelastische Protonenstreuung. (so genannte Spaltisomere) in einem zweiten Minimum der punkt der a-Emission bestimmt werden kann.
16 17Nukleare Festkörperphysik Theoretische Vielteilchenphysik Hochenergiephysik
Halbleiteruntersuchungen Dieses Arbeitsgebiet wurde mit der Berufung von H. Weiden- Lichtkegelquantisierung pischen Methoden wurde die Struktur der Hadronen im Hy-
Ausgehend von der Herstellung von Halbleiterzählern ar- müller im Jahre 1968 am Institut etabliert. Über viele Jahre H.-C. Pauli, seit Anfang der 1970er-Jahre am Institut und peronenstrahlexperiment WA-89 am CERN und im SELEX-
beitete das Institut seit seiner Gründung an festkörperphy- standen kernphysikalische Fragestellungen im Vordergrund. vom kernphysikalischen Vielteilchenproblem herkommend, Experiment am Fermilab (USA) untersucht.
sikalischen Untersuchungen, welche bis 1998 einen festen Das besondere Interesse galt der Theorie der Kernreaktionen. wandte sich mit seiner theoretischen Arbeitsgruppe Mitte der
Bestandteil des Forschungsprogramms bildeten. Schon in In den ersten Jahren ging es vor allem um die Beschreibung 1980er Jahre der Lichtkegelquantisierung zu. Dieser damals Physik schwerer Quarks
den 1960er-Jahren wurde mit den Beschleunigern und Io- von Kernreaktionen im Schalenmodell der Atomkerne. Wäh- in Vergessenheit geratene und von ihm neu aufgegriffene und Mit der Berufung von W. Hofmann an das Institut 1988 er-
nenquellen des Instituts auf dem Gebiet der Ionenimplanta- rend die Schalenmodelltheorie der Kernstruktur schon weit erweiterte Zugang zur Quantenfeldtheorie bietet gegenüber weiterte sich das Gebiet der Kern- und Teilchenphysik auf die
tion von S. Kalbitzer beträchtliche Pionierarbeit geleistet. Die entwickelt war, steckte die Schalenmodelltheorie der Kern- den herkömmlichen Verfahren Vorteile, die von der Arbeits- Untersuchung schwerer B-Mesonen und ihrer Zerfallseigen-
durch Implantation modifizierten Festkörper konnten durch reaktionen noch in den Kinderschuhen. Die Untersuchungen gruppe untersucht und ausgenutzt wurden. Die dabei gewon- schaften, zunächst mit dem ARGUS-Detektor am Speicher-
Rutherford-Rückstreuung oder spezifische Kernreaktionen wurden häufig in enger Zusammenarbeit mit den experimen- nenen Einsichten mündeten schließlich in neuartige phäno- ring Doris II in Hamburg. 1990 konnte dort ein am MPIK
analysiert werden. Schwerpunkte waren die Bestimmung von tellen Gruppen durchgeführt. menologische Modelle zur Quarkstruktur der Nukleonen. entwickelter Vertexdetektor installiert und getestet werden.
Tiefenprofilen, Reichweiten geladener Teilchen und Diffusi- Im Lauf der Jahre verschob sich das Schwergewicht immer Ferner wurden Studien für zwei Nachfolgeprojekte (B-Me-
onsprozesse. Ab 1986 wurde eine Quelle für feinfokussierte mehr von einer dynamischen zu einer stochastischen Be- Hochenergie-Kernphysik sonen-Fabrik und HERA-B) betrieben.
Ionenstrahlen (Durchmesser 1 µm) entwickelt. schreibung. Reaktionsprozesse zwischen schweren Ionen, Bedingt durch die Beteiligung von W. Gentner an der Grün- An den Vorbereitungen und der Durchführung des HERA-
Kompoundkernreaktionen, oder Reibung in der Kernspaltung dung des CERN in Genf bestanden schon vor 1958 Verbin- B-Experiments am DESY war die Gruppe um K. T. Knöpfle
Oberflächenuntersuchungen mit 8Li-Ionen waren anders nicht zugänglich. Der Komplexität des kern- dungen zu dieser Großforschungsanlage. Gastgruppen des und M. Schmelling maßgeblich beteiligt. Ein wesentlicher
Von 1989 bis 2000 führte eine Marburger Gastgruppe Ober- physikalischen Vielteilchenproblems wird man häufig besser Instituts waren ab Mitte der 1960er Jahre am CERN, FZK Beitrag des Instituts waren Design und Betrieb des Silizium-
flächenuntersuchungen mit polarisierten 8Li-Ionen durch, durch einen stochastischen Ansatz als durch den Versuch und DESY tätig. Später wurden auch regelmäßig die Schwer Vertex-Detektors. Zur Entwicklung spezieller integrierter
welche am MP-Tandem erzeugt wurden. gerecht, die Schrödingergleichung näherungsweise zu lösen, ionenbeschleuniger der GSI und die Elektronenbeschleuniger Schaltungen wurde 1994 gemeinsam mit der Universität das
und die theoretische Kernphysik ist dann statistische Mecha- in Mainz genutzt. Schwerpunkt der Gruppe von B. Povh am Heidelberger ASIC-Labor gegründet.
Die Protonen-Mikrosonde nik eines großen, aber endlichen Vielteilchensystems. CERN waren ab 1970 Kernstrukturuntersuchungen an so
Die 1977 am EN-Tandem eingerichtete Protonen-Mikroson-
Mit dieser Verschiebung geriet die allgemeine Theorie des genannten Hyperkernen, bei denen ein Neutron durch ein L-
de (PIXE) erreichte eine Empfindlichkeit von 1 ppm für Ele-
Quantenchaos, insbesondere die Theorie chaotischer Streu- oder S-Hyperon (innere Anregungen von Nukleonen) ersetzt
mente mit Z > 15. Damit wurde von der Gruppe um D. Pelte,
ung, in das Blickfeld, und Zufallsmatrizen rückten immer ist. Die Lebensdauer der L-Hyperonen ist ausreichend groß,
K. Traxel und B. Povh bis 1989 in Meteoriten, Mondgestein,
mehr in das Zentrum des Interesses. Ein neues theoretisches um die L-Nukleon-Wechselwirkung studieren zu können.
Mineralien und biologischen Proben die Spurenelementkon-
Verfahren – die Verwendung einer supersymmetrischen er- Struktur der Hadronen
zentration mit einer Auflösung von 1 × 1 µm2 bestimmt. Außer-
zeugenden Funktion – ermöglichte die Lösung lange offener
dem wurden Methoden zur Präparation biologischer Proben Die Quark-Antiquark-Wechselwirkung im Bereich niedriger
Probleme.
entwickelt. 1991 wurde Energien wurde Anfang der 1980er-Jahre in Proton-Antipro-
die PIXE-Sonde am Seit Mitte der 1980er-Jahre wurden die Arbeiten auf nicht- ton-Streuexperimenten am Antiprotonen-Speicherring LEAR
Pelletron neu aufgebaut, kernphysikalische Fragestellungen ausgedehnt, z. B. auf Elek- untersucht. 1986 begann das Institut mit internationaler Be-
wo sie bis 2002 betrie- tronentransport durch mesoskopische Systeme, auf die Git- teiligung am CERN ein großes Experiment (tiefinelastische
ben und ständig weiter tereichtheorie in der Quantenchromodynamik, oder auf die Streuung von Myonen an Protonen oder Neutronen) zur Be-
entwickelt wurde (mit Untersuchung chaotischer Quantensysteme mittels Hohllei- stimmung der inneren Struktur (Quarks) der Nukleonen.
D. Schwalm). Dadurch tern für Mikrowellen. Auch allgemeine theoretische Frage- Darüber hinaus hatte das MPIK das Projekt REX-ISOLDE Der HERA-B-Detektor.
wurde auch Rutherford- stellungen wurden aufgegriffen und im Rahmen der Theorie initiiert (D. Schwalm) und mit realisiert und beteiligte sich
Rückstreu-Spektromet- der Zufallsmatrizen behandelt, so die Brownsche Moleku- am Schwerionenexperiment CERES (J. P. Wurm). Aufbauend auf der Arbeit für HERA-B befasst sich das Ins-
rie für die Elemente Li larbewegung in der Quantenmechanik, die Rolle von Zwei- Ab Anfang der 1990er Jahre wirkte das Institut federführend titut seit 1998 mit der Entwicklung von Auslesechips und
– Na möglich. An Ende körperkräften für chaotische Dynamik, oder die universelle am HERMES-Experiment am HERA-Speicherring (DESY), Siliziumdetektoren für das LHCb-Experiment am Large
lag der Schwerpunkt Gültigkeit stochastischer Ansätze. welches die Spinstruktur der Nukleonen untersuchte. Hierzu Hadron Collider des CERN. Nach Abschluss der Bauphase
Querschnitt durch eine Wurzel von der Messungen auf der Zugleich entstanden weiterhin Arbeiten zur Kernphysik, etwa wurde von E. Steffens ein internes polarisiertes Wasserstoff- konzentriert sich die Gruppe von M. Schmelling nun auf die
Brassica Juncea L., die in Cd-konta- Schwermetallverteilung über Symmetriebrechung im Kompoundkern, über den Zer- target (FILTEX) entwickelt und am TSR getestet. Für ein Auswertung der ab Ende 2008 erwarteten Daten, die u. a. zur
miniertem (blau) Boden gewachsen in Pflanzen und Sym fall superdeformierter Rotationsbanden, und über Chaos in weiteres Experiment am DESY (H1) baute das MPIK einen Beantwortung der Frage nach der Asymmetrie von Materie
ist. K (gelb) zeigt die Zellstruktur. bionten. Kernspektren. ortsempfindlichen Neutronendetektor auf. Mit spektrosko- und Antimaterie nach dem Urknall beitragen sollen.
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