Was ist ein Teilchenbeschleuniger?

Der Teilchenbeschleuniger LHC am CERN bei Genf - ein Kreisbeschleuniger mit 27km Umfang (Foto © by CERN)

Als Teilchenbeschleuniger bezeichnet man eine Maschine, deren Aufgabe es ist, Teilchen auf extrem hohe Energien zu beschleunigen. Die beschleunigten Teilchen sind Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen, in speziellen Experimenten auch ganze Atome (Schwerionen). In modernen Beschleunigern erreichen die Teilchen sehr schnell annähernd Lichtgeschwindigkeit, das sind etwa eine Milliarde km/h (genauer 1.079.252.848,8 km/h oder 299.792,458 km/s). Einstein sagt mit seiner Relativitätstheorie voraus, dass diese Geschwindigkeit von Teilchen nicht überschritten, und auch nur von masselosen Teilchen genau erreicht werden kann. Diese Vorhersage bestätigt sich im Teilchenbeschleuniger: ist die Lichtgeschwindigkeit erstmals (annähernd) erreicht, kann zwar die Bewegungsenergie des Teilchens noch weiter gesteigert werden, die Geschwindigkeit ändert sich aber kaum noch. Als Faustregel kann man daher sagen, dass Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger praktisch auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, stärkere Teilchenbeschleuniger unterscheiden sich von schwächeren hauptsächlich in der Bewegungsenergie der beschleunigten Teilchen.

Als Einheit der Energie - und damit als Maß für die Stärke eines Beschleunigers - verwendet man das Elektronenvolt (eV). Ein Gigaelektronenvolt (1 GeV = 1 Milliarde eV) entspricht nach E=mc2 ziemlich genau der Masse eines Protons. Moderne Beschleuniger erreichen Energien von einigen GeV bis zu über zehntausend GeV. Der modernste und größte Beschleuniger der Welt, der LHC, beschleunigt Protonen auf 3500 GeV (=3.5 TeV, Teraelektronenvolt). Im Endausbau wird er Protonen auf 7 TeV beschleunigen.

Man unterscheidet zwischen Linearbeschleunigern, die einer "Teilchenkanone" ähneln und Teilchen auf einer langen, geraden Strecke beschleunigen, und Kreisbeschleunigern, bei denen starke Magnete die Teilchen auf einer Kreisbahn halten. Letztere haben den Vorteil, dass die Teilchen den Ring viele Male durchlaufen können, und so über längere Zeit hinweg beschleunigt werden können. Sie haben allerdings auch Nachteile, so verlieren die beschleunigten Teilchen beispielsweise durch die Ablenkung im Magnetfeld ständig Energie. Beide Technologien (Linear- und Ringbeschleuniger) befinden sich auf einem technologisch hohem Stand, und werden auch beide noch weiterentwickelt. Je nach Anwendung eignet sich jeweils ein anderer Beschleunigertyp am besten.

 

Wozu benötigt man Teilchenbeschleuniger?

simulierte Teilchenkollision (Bild © CERN)

Die hochenergetischen Teilchen aus einem Teilchenbeschleuniger kann man dazu benutzen, um Forschung an ihnen zu betreiben. Historisch hat man zunächst diese Teilchen auf ein Hindernis prallen lassen (sog. Fixed-Target-Experimente). Dieses Hindernis, das Target, kann z.B. ein ausreichend dicker Metallzylinder sein. Beim Aufprall treten die Teilchen aus dem Beschleuniger in Wechselwirkung mit den Teilchen des Targets. Aufgrund der hohen Energie prallen die Teilchen nicht nur voneinander ab (wie man es aus der Alltagswelt gewohnt ist), sondern es finden auch Teilchenumwandlungen statt. Insbesondere kann die Bewegungsenergie der Teilchen auch nach E=mc2 zur Erzeugung neuer Teilchen verwendet werden. Auch Antimaterie (Antiteilchen) lässt sich auf diese Weise produzieren. Da die Bewegungsenergie der beschleunigten Teilchen weitaus größer ist als die entsprechende Masse dieser Teilchen (wie oben ausgeführt), können auch Teilchen mit weitaus höherer Masse als die der Ursprungsteilchen erzeugt werden.

Ein Nachtteil dieser Fixed-Target-Experimente ist, dass aufgrund der Impulserhaltung die neu erzeugten Teilchen einen Rückstoß erhalten, und so selbst wieder Bewegungsenergie tragen, die nicht zur Produktion neuer Teilchen zur Verfügung steht. Ungünstigerweise verringert sich der Anteil der zur Verfügung stehenden Energie immer mehr, je höher die Energie der Teilchen wird. Damit wird diese Methode bei zu hohen Energien unwirtschaftlich.

Die Lösung dieses Problems ist, in einem Teilchenbeschleuniger zwei Teilchen gegenläufig zu beschleunigen. Lässt man nun diese beiden Teilchen kollidieren, dann gibt es keinen Rückstoß, und 100% der Energie kann in Masse neuer Teilchen verwandelt werden. Technologisch ist es eine große Leistung, die Teilchenstrahlen so exakt zu steuern, dass sie trotz Lichtgeschwindigkeit genau an der richtigen Stelle kollidieren. Ohne diese Collider-Technik wären aber moderne Experimente nicht mehr denkbar.

All diese neuen Teilchen, und ihre Wechselwirkungen, lassen sich nun experimentell untersuchen. Die dafür notwendigen Nachweisgeräte heißen Detektoren und werden im entsprechenden Bereich dieser Webpage näher beschrieben.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

Im Tunnel des Beschleunigers LHC (Foto © CERN)

Um ein Teilchen beschleunigen zu können, muss auf irgendeine Weise Kraft auf das Teilchen ausgeübt werden. Praktisch eignet sich dafür nur die elektromagnetische Kraft - daraus ergibt sich die Einschränkung, dass nur geladene Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen beschleunigt werden können. Will man ganze Atome beschleunigen, so muss man diese zuvor einem Teil (oder sogar all) ihrer Elektronen berauben (sie ionisieren); dadurch wird die positive Ladung der Protonen im Atomkern nicht mehr durch die Elektronen ausgeglichen, und das Atom lässt sich ebenfalls elektromagnetisch beschleunigen.

In historischen Beschleunigern benutzte man ein starkes elektrisches Feld, um die Teilchen zu beschleunigen (ähnlich wie es auch in alten Fernsehern mit den Elektronen passiert, die dann das Bild auf den Schirm zeichnen). Da man aber keine beliebig starken Felder erzeugen kann, da es irgendwann zu spontanen Entladungen kommt, ist dieser einfachen Technik schon bald eine Grenze gesetzt.


Eine raffiniertere Konstruktion verwendet eine Kaskade von solchen Feldern, womit bereits deutlich höhere Energien erreicht werden können. Die moderne Variante sind allerdings sog. Hohlraumresonatoren. Die Funktionsweise kann man einfach so verstehen, dass in diesen Resonatoren spezielle elektromagnetische Wellen generiert werden, auf denen die Teilchen wie Surfer auf einer Welle 'reiten' können, und dabei beschleunigt werden. Die technische Herausforderung ist natürlich (ebenso wie beim Wellenreiten im Meer), sich auf die richtige Stelle der Welle zu setzen - ist man zu früh oder zu spät, wird man nicht beschleunigt, sondern sogar abgebremst.

Neben diesen Beschleunigungseinheiten besteht ein moderner Beschleuniger noch aus weiteren Modulen. Ein wichtiges Modul sind Fokussierungsmagnete. Sie sorgen dafür, dass ein Teilchen stets im Rahmen der Toleranz auf seiner Soll-Bahn bleibt - ansonsten würden die lichtschnellen Teilchen sehr schnell aus der Bahn fliegen und verloren gehen.

In Kreisbeschleunigern gibt es darüber hinaus noch Ablenkmagnete, die die Teilchen auf ihrer Kreisbahn halten. Da die Teilchen so schnell sind (Lichtgeschwindigkeit!) werden extrem starke Magnete benötigt, um die Teilchen ausreichend abzulenken. Trotzdem müssen moderne Beschleuniger sehr groß gebaut werden, da für engere Kreise auch die stärksten Magnete zu schwach wären. Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, der LHC bei Genf, hat so einen Umfang von 27 km, und umschließt dabei mehrere Ortschaften in der Schweiz und dem angrenzenden Frankreich.