Das Upgrade IMPACT: Mehr Myonen und Radionuklide

Schon seit 1974 ist die Protonenbeschleunigeranlage HIPA in Betrieb. HIPA steht für «High Intensity Proton Accelerator». Dank stetiger Wartung und mehrerer Erweiterungen der Anlage findet seit rund fünf Jahrzehnten weltweit angesehene Spitzenforschung an den hiesigen Strahllinien und Experimenten statt. Um weiter in ihre Stärken zu investieren, steht ein neues bedeutendes Upgrade an: IMPACT (Isotope and Muon Production with Advanced Cyclotron and Target Technologies). Dieses besteht aus zwei Teilen: HIMB (High-Intensity Muon Beams) und TATTOOS (Targeted Alpha Tumor Therapy and Other Oncological Solutions).

Am PSI sind mehrere grosse Teilchenbeschleuniger für die Forschung in Betrieb. Eine besonders grosse Anlage ist diejenige, die Protonen beschleunigt: HIPA, der «High Intensity Proton Accelerator». HIPA ging schon 1974 in Betrieb und ist damit stolze 14 Jahre älter als das PSI selbst, das 1988 als Zusammenschluss zweier Vorgängerinstitute gegründet wurde.

Abkürzungen

HIPA ist die Protonenbeschleunigeranlage des PSI. HIPA steht für «High Intensity Proton Accelerator» (Hochintensiver Protonenbeschleuniger).

IMPACT ist ein an HIPA geplantes Upgrade, welches für die Forschungsförderungsperiode ab 2025 ansteht. IMPACT bedeutet «Isotope and Muon Production with Advanced Cyclotron and Target Technologies» (Isotopen- und Myonenproduktion mit modernen Zyklotron- und Targettechnologien). IMPACT besteht aus zwei Teilen: HIMB und TATTOOS.

HIMB steht für «High-Intensity Muon Beams» (Hochintensive Myonenstrahlen). Dieser Teil von IMPACT beinhaltet einen Umbau an der Myonen-Anlage, sodass dort zukünftig bis zu 10 Milliarden Myonen pro Sekunde für die Forschung genutzt werden können.

TATTOOS steht für «Targeted Alpha Tumor Therapy and Other Oncological Solutions» (Gezielte Alpha-Tumor-Therapie und andere onkologische Lösungen). Dieser zweite Teil von IMPACT umfasst eine neue Einrichtung zur Isotopenproduktion, an der sogenannte Radionuklide für gezielte Krebstherapie und -diagnostik hergestellt und erforscht werden.

HIPA war von Beginn an eine Anlage von Weltruhm und oft sogar ihrer Zeit voraus: Sie lieferte stets eine beeindruckende Anzahl von Protonen pro Sekunde, die durch mehrere Erneuerungen an der Anlage mittlerweile ihr ursprüngliches Zieldesign sogar um mehr als den Faktor 20 übertrifft. Die beschleunigten Protonen und deren Folgeprodukte – auch Sekundärteilchen genannt – werden an diversen Experimentierstationen genutzt und bedienen sogar manch hochkarätiges Langzeitexperiment. Die wissenschaftlichen Möglichkeiten rund um HIPA werden sowohl von den PSI-Forschenden selbst genutzt als auch von externen Forschenden aus dem In- und Ausland, die sowohl aus der akademischen Welt als auch aus der Industrie kommen.

Um HIPA für topaktuelle Wissenschaft noch attraktiver zu machen, ist nun ein umfassendes, strategisches Upgrade geplant: IMPACT. Dieses Akronym steht für «Isotope and Muon Production with Advanced Cyclotron and Target Technologies», was sich übersetzen lässt als «Isotopen- und Myonenproduktion mit moderner Zyklotron- und Targettechnologie». Am Upgradeprojekt IMPACT sind das PSI, die Universität Zürich und das Universitätsspital Zürich gemeinschaftlich beteiligt. Am PSI zeigt sich IMPACT als bedeutende Verbesserung an zwei Stellen der Forschungsanlage.

HIMB: Mehr Myonen für herausragende Experimente

Einerseits wird ein Bereich der Anlage, an welcher Myonen als Sekundärteilchen erzeugt werden, umgebaut und verbessert. Dieser Teil von IMPACT firmiert unter dem Namen HIMB, kurz für «High-Intensity Muon Beams», also «Hochintensive Myonenstrahlen».

Schon jetzt hält das PSI den Weltrekord in der Anzahl der Myonen, die pro Sekunde für die Forschung genutzt werden können. Mit HIMB soll diese Intensität noch mal um den Faktor 100 steigen, auf zukünftig 10 Milliarden Myonen pro Sekunde. An der Universität Zürich ist zudem ein neues Labor geplant, in dem Infrastruktur für die neuen Experimentieraufbauten von HIMB erstellt werden soll.

Myonen werden am PSI einerseits für die Untersuchung von Materialien genutzt. Hier geht es um fundamentale Eigenschaften der Materie. Andererseits werden die Myonen auch in Fragen der Teilchenphysik eingesetzt, um beispielsweise bislang ungelösten Rätseln des Universums nachzugehen. Für beide Bereiche sind die riesigen Mengen an Myonen notwendig, die nur am PSI produziert werden können.

TATTOOS: Radionuklide für gezielte Tumortherapie

Der zweite Teil von IMPACT heisst TATTOOS: Targeted Alpha Tumor Therapy and Other Oncological Solutions, übersetzt: Gezielte Alpha-Tumor-Therapie und andere onkologische Lösungen. Mit TATTOOS möchte das PSI seine derzeitige Produktion von Radionukliden stark ausbauen. Radionuklide sind medizinische Substanzen, die bei Krebs eingesetzt werden können. Am PSI ist das Zentrum für Radiopharmazie auf die Erforschung dieser Wirkstoffe spezialisiert.

Die Pläne von TATTOOS sehen den Bau einer neuen Anlage vor, an der die hochenergetischen HIPA-Protonen auf bestimmte Materialien – sogenannte Targets – geschossen werden, um eine Vielzahl nützlicher Radionuklide zu erzeugen. Mit diesen Radionukliden möchten die Forschenden Medikamente entwickeln, die eine zweifache Funktion im Kampf gegen Tumore erfüllen: Sie sollen zunächst die Tumore für die genaue Diagnose markieren und in einem zweiten Schritt die Tumorzellen gezielt vor Ort zerstören. Um diese neuen Medikamente in die klinische Anwendung zu bringen, arbeitet das PSI gemeinschaftlich mit der Universität Zürich und dem Universitätsspital Zürich an TATTOOS.

Weitreichende Pläne

Das gesamthafte Upgrade IMPACT ist für die Schweizer Forschungsförderungsperiode ab 2025 geplant. Im Sommer 2023 wurde IMPACT in die Schweizer Roadmap für Forschungsinfrastrukturen aufgenommen, die das Schweizer Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation SBFI in seiner BFI-Botschaft 2025–2028 veröffentlicht hat. Das Schweizer Parlament wird Ende 2024 über diese BFI-Botschaft entscheiden und somit über die Finanzierung von IMPACT.