wie funktioniert ein teilchenbeschleunier?????„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“, wünschte sich einst in Goethes Tragödie der Doktor Faustus. Dem Mann wäre heute zu helfen – mit einem Teilchenbeschleuniger nämlich. Diese fantastischen Forschungsgeräte erlauben den Physikern, die Struktur der Materie zu enträtseln und so mehr über das Wesen unseres Universums zu erfahren. Daneben liefern sie auch wichtige Erkenntnisse in Materialforschung, Medizin und anderen Wissenschaftsdisziplinen.
Der einfachste Teilchenbeschleuniger ist ein Fernseher. In seiner Röhre werden die Elektronen, die das Fernsehbild auf die Mattscheibe
, durch ein elektrisches Feld beschleunigt, wie es beispielsweise zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Metallplatten herrscht. Setzt man ein negativ geladenes Elektron zwischen die Platten, wird es von der positiv geladenen Platte angezogen und von der negativen abgestoßen.Auf Mikrowellen surfen
Für einen Großbeschleuniger genügt eine solche Anordnung indes nicht. Um Elektronen anzuregen, werden Löcher in die Metallplatten gebohrt und mehrere solcher Beschleunigungsstrecken hintereinandergeschaltet. Damit gibt es jedoch ein Problem: Sobald die Elektronen die erste Metallplatte durchflogen haben, werden sie von deren positiver Ladung wieder nach hinten gezogen und damit gebremst. Deshalb wird jede vom Elektronenstrahl erreichte Platte mithilfe einer Wechselspannung umgepolt, sobald die Teilchen in die nächste Beschleunigungsstrecke fliegen. In gleicher Weise lassen sich alle elektrisch geladenen Teilchen, also auch Protonen oder schwere Atomkerne, beschleunigen. Allerdings werden die Hochspannungsstrecken in den leistungsstärksten Anlagen durch „Hohlraumresonatoren“ ersetzt. Darin erzeugen Mikrowellen extrem hohe Feldstärken. Die Teilchen werden beschleunigt, indem sie gleichsam auf den Mikrowellen surfen.
Die großen Teilchenschleudern bringen die Partikel fast auf Lichtgeschwindigkeit. Anlagen mit einer einfachen, geraden Beschleunigungsstrecke heißen Linearbeschleuniger. Die höchsten Energien werden jedoch mit Ringbeschleunigern erreicht, in denen die Teilchen viele Male umlaufen und bei jedem Umlauf einen weiteren Energieschub erhalten. Haben sie ihre Zielenergie erreicht, werden sie auf ein festes Objekt gelenkt, etwa einen kleinen Metallblock. Dies übernehmen „Kickermagnete“. Sie müssen innerhalb von 10-7 Sekunden das Ablenkmagnetfeld erzeugen, um nur ein einzelnes Teilchenpaket abzulenken und nicht mehrere auf einmal.
Beschleunigung im Ring
In Ringbeschleunigern dagegen werden gegenläufige Teilchenstrahlen zur Kollision gebracht. Dies können Elektronen und ihre positiv geladenen Antiteilchen sein, die Positronen, oder auch Protonen. Im Ring werden sie mithilfe riesiger Magnete, die extrem starke Felder erzeugen, um die Kurve gezwungen und auch fokussiert. Die Anlagen wirken damit wie Mikroskope. Denn die rasenden Teilchen dringen tief in ihre Ziele ein und lassen mithilfe entsprechender Detektoren die allerkleinsten Strukturen darin erkennen.
Ringbeschleuniger haben jedoch einen Nachteil: Elektrisch geladene Teilchen, die sich im Kreis bewegen, geben Strahlung ab (die sogenannte Synchrotronstrahlung) und verlieren dadurch Energie. Deshalb muss mit der Zunahme der Teilchenenergie auch die Feldstärke der Ablenkmagnete steigen. Die Synchrotronstrahlung wird in spezialisierten Speicherringen, wie es sie in vielen Forschungseinrichtungen gibt, ausgekoppelt und für eine ganze Reihe von Forschungsvorhaben genutzt. Mit ihrer Hilfe werden unter anderem radioaktive Isotope hergestellt, die dann zur Bestrahlung von Krebspatienten dienen. In der Archäologie kann man sie zur Alterbestimmung von Fundstücken nutzen.
Wenn Materie zu Energie wird
Prallen zwei Teilchenstrahlen aufeinander, wird dabei Materie in Energie umgewandelt -
ein kleiner Energieblitz entsteht. Er wandelt sich wiederum um in einen Strahl neuer Teilchen. Dieser wird von Detektoren erfasst. Für beide Umwandlungen gilt die Einsteinsche Formel E = mc2, die die Äquivalenz von Energie E und Masse m beschreibt. Aus den Bahnen und der Energie dieser sekundären Teilchen können die Hochenergiephysiker auf die Verhältnisse schließen, unter denen sie entstanden sind – und damit auf Struktur der kollidierenden Teilchen.
Früher wurden als Detektoren Nebel- oder Blasenkammern genutzt, in denen elektrisch geladene Teilchen in einer Flüssigkeit oder Dampf Spuren erzeugen. Heute messen Ionisationsdetektoren die Energie, die ein Teilchen beim Durchqueren eines Mediums verliert. Daraus lässt sich auf die Art des Partikels schließen. Eine Alternative ist die „Proportionalkammer“, in der viele abwechselnd positiv und negativ geladene Drähte den Durchgang geladener Teilchen registrieren. Mithilfe des Computers kann man daraus die Bahn des Teilchens oder Teilchenbündels rekonstruieren. In wieder anderen Detektoren werden die schwachen Lichtblitze erfasst, die von Teilchen erzeugt werden, wenn sie in das Detektormaterial eindringen.
Wissen über Quarks & Gluonen
Der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt ist der Large Hadron Collider (LHC), der zurzeit am europäischen Kernforschungszentrum (CERN) bei Genf gebaut wird und im Herbst 2007 in Betrieb gehen soll. Darin werden Protonen – sie zählen zur Teilchenklasse der Hadronen – zur Kollision gebracht, daneben können auch schwere Atome wie Blei durch die Teilchenrennstrecke fliegen. Sie ist in einem Ringtunnel von 27 Kilometer Umfang untergebracht.
Der LHC, so hoffen die Forscher, wird ihnen das Tor zu einer neuen Physik öffnen. Schon in der Vergangenheit lieferten die Teilchenschleudern bahnbrechende Erkenntnisse über den Aufbau der Materie. So zeigten sie, dass die Protonen nicht elementar sind, wie zuvor gedacht, sondern sich aus weiteren Teilchen zusammensetzen. Sie besitzen ein reiches Innenleben aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks. Diese werden von Bindeteilchen zusammengehalten, den Gluonen (von Englisch glue = Klebstoff). Die Quarks bewegen sich in Dimensionen, die 2000-mal kleiner sind als das Proton selbst. Jetzt ist die Frage, ob Teilchen wie die Quarks eine Unterstruktur aufweisen – also selbst gar nicht elementar sind, wie wir heute annehmen. Der LHC könnte die Antwort liefern.
Die Struktur der Materie
Insgesamt bestätigen die bisherigen Forschungsergebnisse das sogenannte Standardmodell der Physik. Es beschreibt die Struktur der Materie, die Wechselwirkungen der Teilchen untereinander sowie die drei der vier Naturkräfte, die die materielle Welt steuern. Nur die Gravitation entzieht sich noch einer klaren Einordnung. Der LHC dringt nun in einen neuen Energiebereich vor. Dort erwarten die Wissenschaftler, neue physikalische Phänomene jenseits des Standardmodells zu finden. Ihr wichtigstes Ziel ist, das sogenannte Higgs-Boson zu sichten. Es verleiht den anderen Teilchen ihre Masse (genauer gesagt: einen Teil davon). Bis heute ist es völlig rätselhaft, warum die Materie überhaupt eine Masse besitzt und nicht einfach nichts wiegt.
Womöglich gelingt es mithilfe des Riesen-Beschleunigers auch, den Urknall zu reproduzieren. In diesem ersten Moment des Universums lagen die Quarks und Gluonen noch in freier Form vor, bevor sie sich untrennbar zu Protonen und Neutronen verbanden. So fest ist ihre Bindung im Atomkern, dass sich mit heutigen Mitteln kein Quark aus dem Verband lösen lässt. Erst der LHC könnte wieder ein „Quark-Gluon-Plasma“ hervorbringen, wie es in den ersten Milliardstel Sekunden nach dem Urknall herrschte. Seither kam dieser Zustand in der Natur nicht mehr vor. Die Forscher schwärmen schon vom „Urknall im Labor“.
Winzige schwarze Löcher
Es mag befremdlich oder auch furchterregend klingen, doch im LHC könnten auch schwarze Löcher entstehen. Im Universum entstehen diese Schwerkraftmonster, wenn massereiche Sterne kollabieren. Ihre Gravitation ist so stark, dass nicht einmal mehr Licht aus ihnen entweichen kann, sie erscheinen absolut schwarz (daher der Name). Im LHC würden aber nur
zige schwarze Löcher entstehen, die aufgrund quantenphysikalischer Regeln in Sekundenbruchteilen wieder zerstrahlen. Die Gefahr, dass sie die Erde verschlingen, besteht nach heutigem Wissen daher nicht.Die Miniaturlöcher würden sich aber nur bilden, wenn es höhere Raumdimensionen gibt. Genau das sagt aber die String-Theorie vorher, die versucht, die Gravitation mit der Quantentheorie zur Quantengravitation zu verbinden. Würde diese Theorie gefunden, wäre sie die lange gesuchte Weltformel. Ihre Entdeckung wäre eine Sensation, nur noch vergleichbar mit Einsteins aufsehenerregender Veröffentlichung der Relativitätstheorie. Dann wüssten wir, dass der Kosmos in Wahrheit neun oder zehn Raumdimensionen besitzt, die sich jedoch – bis auf die bekannten drei, in denen sich unser Alltag abspielt – auf so
zige Raumbereiche beschränken, dass wir sie nicht erkennen können. Dann könnte auch unser Universum in einem höherdimensionalen Raum driften, gemeinsam mit unzähligen Paralleluniversen.Schließlich könnte der LHC noch sogenannte Superpartikel erzeugen. Das sind schwere Partnerteilchen der heute schon bekannten Teilchen. Diese „Supersymmerie“ wäre eine Bestätigung für weitere, über das Standardmodell hinausreichende Theorien.
Insgesamt verspricht der neue große Beschleuniger eine Fülle neuen physikalischen Wissens. Wenn das Faust erleben dürfte. Würde er heute leben, wäre er vielleicht angesichts der Erfüllung seines Strebens nach Erkenntnis ein glücklicher Mensch – auch ganz ohne Mephisto.
en Aufnahme in zehn Billionen Schnappschüssen“, erläutert Bernd Panzer vom „Cern“- Rechenzentrum. Etwa eine CD-ROM pro Sekunde wird gespeichert, das summiert sich zu rund 15 Petabyte im Jahr in etwa vergleichbar mit der gesamten Information im World Wide Web.