Teilchenbeschleuniger

Ein Teilchenbeschleuniger ist eine vakuumierte technische Anlage, die elektrisch geladene Teilchen durch elektrische Felder sehr stark beschleunigt und ihnen damit auch hohe Energien bzw. Massen zuführt.

Sie dienen derzeit überwiegend der Erforschung grundlegender Materieeigenschaften, Wechselwirkungen und Naturgesetzlichkeiten, also der mikrokosmologischen Grundlagenforschung. Aber auch in der der medizinischen Strahlentherapie oder der entwickelnden Industrie kommen die Teilchenbeschleuniger zum Einsatz.

Weltweit sind eine Reihe von Teilchenbeschleunigern in Betrieb, die je nach Funktionszweck sehr unterschiedlich aufgebaut sind. Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Teilchenbeschleunigern unterscheiden: T. mit geradliniger Form und T. mit geschlossener Form.

Ein anschauliches Beispiel für einen T. mit geradliniger Form ist der Linearbeschleuniger. Wie der Name schon sagt, werden die Teilchen in Linearbeschleunigern eindimensional beschleunigt. Hervorgerufen wird die Beschleunigung durch Potenzialunterschiede, weswegen von vornherein nur geladene Elementarteilchen wie Protonen oder Elektronen infrage kommen. Möchte man ganze Atome durch den Beschleuniger jagen, muss man sie vorher ionisieren (positiv laden).

Schemenhaft ist oben die Funktionsweise eines Linearbeschleunigers dargestellt. Zu Beginn schießt eine Ionenquelle einen Strahl von Ionen durch sogenannte Driftröhren.

An den Driftröhren wird nun eine Wechselspannung angelegt, und zwar so, dass sie jeweils nacheinander positiv und negativ geschalten sind. Verfolgen wir nun die Reise eines Ions. Das Ion kommt zunächst aus der Quelle und wird als negativ geladenes Elektron sofort von der ersten, positiv geladenen Driftröhre angezogen.

Noch während das Ion durch die erste Driftröhre saust, polt sich die ganze Wechselspannung um, d.h. es ändert sich die Ladung aller Driftröhren. Also wird das Ion augenblicklich von der zweiten, jetzt positiv geladenen Driftröhre angezogen und beschleunigt erneut.

Ist das Ion in der zweiten Driftröhre, werden die Driftröhre wieder umgepolt und das Ion beschleunigt noch einmal usw. An sich ja ein schlaues Konzept, nur braucht man, um ein Teilchen erst einmal auf eine für die Forschung relevante Geschwindigkeit zu beschleunigen eine Strecke von Hunderten, wenn nicht Tausenden von Metern. Denn die ganze Beschleunigungsstrecke steht den Teilchen so nur einmal zur Verfügung.

Die Lösung des „Längenproblems“ ist gar nicht so schwer: Anstatt einer offenen, linearen Strecke wie beim Linearbeschleuniger schließen wir den Beschleuniger einfach zu einem Kreis zusammen und behalten das altbewährte Prinzip ansonsten bei. Jetzt kann das Teilchen nämlich die gleiche Strecke öfter durchfliegen und deshalb viel länger und platzsparender beschleunigen.

Eine Modifikation braucht es dennoch: Teilchen lassen sich nicht um die Ecke beschleunigen, daher installieren wir mehrere Ablenkmagnete in der Mitte des Beschleunigers, die die Teilchen auf der runden Bahn halten. Diese Magnete müssen ungeheuer stark sein, da die Teilchengeschwindigkeit nah an die Lichtgeschwindigkeit herankommt.

Wirklich kreisförmig ist ein Ringbeschleuniger in der Regel nicht. Zwischendrin und oft auch am Anfang verfügt er über längere gerade Strecken, über die ein Teilchen beschleunigt werden kann, bevor es in den Kurven wieder von den Magneten abgebremst werden muss, was dem Apparat meist eine spiralförmige Form gibt. Diese Strecken und Kurven müssen trotz des „Kreistricks“ relativ groß sein, da für Beschleuniger mit kleinerem Durchmesser selbst die stärksten Magneten zu schwach wären.

Der Speicherring ist eine Sonderform des Ringbeschleunigers. In ihm werden die Teilchen nicht ständig weiter beschleunigt, sondern bei immer gleicher Energie in der Kreisbahn gehalten, gespeichert, bis man einen Verwendungszweck für sie hat.

Faszinierenderweise kann man sogar zwei entgegengesetzte Teilchen gleichzeitig durch den Beschleuniger schießen, beispielsweise ein Elektron und ein Positron. Die rasen dann quasi in entgegengesetzter Richtung im Kreis umher.

Auch die Experimente in den T. lassen sich in zwei verschiedene Arten differenzieren: Das Fixed-Target-Experiment und das Colliding-Beam-Experiment. Beide Experimentarten werden sowohl in Linear- als auch in Ringbeschleunigern durchgeführt und dienen gleichwohl der Erforschung der Teilchen, ihrer Strukturen und Eigenschaften.

Bei einem Fixed-Target-Experiment werden Teilchen in Paketen auf eine starre Zielscheibe (engl. target) geschossen. In einem Linearbeschleuniger kann pro Teilchenpaket immer nur eine Kollision mit einer Zielscheibe herbeigeführt werden. Fixed-Target-Experimente in Ringbeschleunigern können Targets jedoch so kalibrieren, dass einige Teilchen aus dem Paket mit ihm wechselwirken, die meisten es aber ungehindert passieren und der Kollisionsvorgang somit zyklisch wiederholt werden kann.

In einem Colliding-Beam-Experiment lässt man zwei Teilchenpakete entgegengesetzt beschleunigen und schließlich gezielt miteinander kollidieren. Im Gegensatz zu einem großen und feststehenden Target befinden sich hier beide ungefähr gleich große Körper in einer beschleunigten Bewegung.

Hier macht man sich oft den Umstand zunutze, dass zwei unterschiedlich geladene Teilchen in umgekehrter Richtung durch den Ringbeschleuniger gejagt werden können. Wählt man etwa ein Bündel aus Elektronen und eines aus Positronen („Anti-Elektronen“), haben beide die gleiche Masse. Beschleunigt und lenkt man die beiden Teilchen-Antiteilchen-Partner entgegengesetzt ab, kann man sie theoretisch beliebig lange ungehindert aneinander vorbei kreisen und an einem gewünschten Ort zusammenstoßen lassen. Am Kollisionsort sind dann Detektoren installiert, die uns Auskunft über die Welt im äußerst Kleinen geben.

Die Geschichte der Teilchenbeschleunigung und die der Hochenergiephysik ist lange, zu lange, um hier gänzlich ausgeführt zu werden. Ein paar wichtige Eckdaten lassen sich jedoch schon herausgreifen.

Die ersten eigentlichen Teilchenbeschleuniger wurden noch mit Gleichspannung betrieben. Damit konnten Energien von einigen hunderten MeV erzielt werden. Bald konnte in den Beschleunigern Einsteins berühmte Formel E = mc² experimentell bestätigt werden. Vorher war das nicht möglich, da die erzeugten Beschleunigungen keine nennenswerten Energie-Masse-Umwandlungen mit sich brachten.

Die erste größere Maschine mit einer Länge von mehr als drei Kilometern war der Stanford of Linear Accelerator. Wie dem Namen nur unschwer zu entnehmen seinerseits aber „nur ein Linearbeschleuniger“.Formularende

Der amerikanische Physiker Ernest O. Lawrence entwickelte 1929 die erste richtige, runde „Entdeckermaschine“ der Teilchenphysik. Indem die geladenen Teilchen durch Magnetfelder auf der Kreisbahn gehalten wurden, konnten viel höhere Geschwindigkeiten erreicht und so auch viel interessantere Kollisionen herbeigeführt werden. Lawrence Apparatur, ein Zyklotron, war erst esstellergroß, aber das Prinzip wurde bis heute beibehalten.

Seinen bisherigen absoluten Höhepunkt findet diese Idee im Large Hadron Collider (kurz: LHC) des CERN. Der größte, aufwändigste und unter dem Strich produktivste Teilchenbeschleuniger unserer Zeit. In ihm stecken die Früchte jahrhundertelanger physikalischer und technischer Forschung. Eines der größten Verdienste des LHC ist die Entdeckung des Higgs-Boson.

LHC: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:CERN_LHC_Tunnel1.jpg

Synchroton Soleil: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Sch%C3%A9ma_de_principe_du_synchrotron.jpg

Lage & Größe LHC:http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Location_Large_Hadron_Collider.PNG

• Das Atom: Im Rutherfordschen Atommodell besteht ein Atom im Kern aus Protonen und Neutronen, um den herum Elektronen kreisen.

• Higgs-Boson: Allein aufgrund ihres Vertrauens in theoretische Überlegungen und in die Vorstellung eines symmetrischen Universums suchten Physiker beharrlich nach dem Higgs-Boson. Am 4. Juli 2012 hatte man mit ihm schließlich das letzte, noch nicht nachgewiesene Teilchen des Standardmodells gefunden. Einer der allergrößten Erfolge der modernen Physik überhaupt!

• Lichtkonstante: In manchen Teilchenbeschleunigern erreichen Teilchen annähernd die Lichtgeschwindigkeit. Deshalb ist die Kenntnis und Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie unerlässlich zum Betreiben von Teilchen(beschleuniger)physik.

• Philosophie: Mittels extrem großer Gerätschaften und hoher Energien möchte man in der Teilchenphysik winzig kleine Teilchen durch oft kaum messbare Prozesse verstehen lernen. Dabei stößt man auf einige Urfragen der Philosophie: Was hält die Welt im Innersten zusammen? Warum ist überhaupt etwas und nicht vielmehr nichts? Gibt es kleinste Teilchen? Woraus besteht das Universum?

• Quarks: Lange Zeit dachte man, Protonen und Neutronen seien das Ende der Fahnenstange – kleiner gehe es nicht. Ein Irrtum, denn nach gegenwärtigen Theorien setzen diese Teilchen sich aus noch kleineren Elementarteilchen zusammen: Den Quarks. Es gibt sechs Arten von Quarks: up, down, charm, strange, top und bottom. Jedes davon in einer von drei möglichen „Farben“: Rot, blau oder grün. Zählt man die Antiquarks auch noch dazu, sind es insgesamt sogar 12 Quarks, die man in den Teilchenbeschleunigern nachweisen kann. Einzeln bekommt man Quarks jedoch nie zu Gesicht, was wahrscheinlich an der starken Wechselwirkung liegt.

• Stringtheorie: Manche Postulate der theoretischen Physik sind in ihrer realen Wirkung so winzig, dass sie nicht einmal die gewaltigen Teilchenbeschleuniger unserer Tage überprüfen können.

• Urknall: Einen ganz wichtigen Punkt haben wir bislang gar nicht explizit angesprochen: Wir können in den Teilchenbeschleunigern sogar Umstände erschaffen, wie sie auch kurz nach dem Urknall geherrscht haben müssten und so etwas über den Aufbau des frühen Universums und des Urknalls selbst herausfinden.

Stand: 2014

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