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Teilchenbeschleuniger –
dem Urknall auf der Spur

Teilchenbeschleuniger sind Systeme der physikalischen Grundlagenforschung, in denen elektrisch geladene Elementarteilchen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Praktisch der gesamte heutige Wissensstand über die Struktur der Materie und die dort wirkenden Kräfte wurde mit Hilfe solcher Instrumente erarbeitet.

Teilchenbeschleuniger werden seit 1950 in der Grundlagenphysik eingesetzt. Abhängig von der Art der zu beschleunigenden Teilchen und der Teilchengeschwindigkeit, bzw. der benötigten Teilchenenergie, finden unterschiedliche Typen von Teilchenbeschleunigern Verwendung. Das Funktionsprinzip der eigentlichen Teilchenbeschleunigung ist bei allen Systemen gleich: Ein elektrisch geladenes Elementarteilchen in einem elektrischen Feld wird durch die Coulomb-Kraft beschleunigt. Die Energie, die das Teilchen bei diesem Beschleunigungsvorgang aufnimmt, wird in Elektronenvolt (eV) gemessen. Teilchenbeschleuniger bieten die Möglichkeit

  • die Größe von Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte zu ermitteln, indem man ihre Bahnen einander so weit annähert, dass die Teilchen sich wechselseitig beeinflussen
  • Rückschlüsse auf die innere Struktur von Elementarteilchen zu ziehen, indem man sie miteinander kollidieren lässt und dadurch zertrümmert
  • Elementarteilchen durch die Kollision mit ihren Antiteilchen in Energie zu „zerstrahlen“, wobei neue Teilchen entstehen. Solche Versuche dienen dazu, Erkenntnisse über die Verhältnisse kurz nach der Entstehung des Universums abzuleiten.

Grundsätzlich unterscheidet man Linearbeschleuniger und Ringbeschleuniger.

Linearbeschleuniger benötigen keine starken Magnete, die erforderlich wären, um beschleunigte Teilchen auf einer Kreisbahn zu halten. In Linearbeschleunigern wird die Energie der beschleunigten Teilchen zudem nicht durch störende Abstrahlungsverluste (Synchrotronstrahlung)begrenzt. Linearbeschleuniger erfordern allerdings sehr viele Beschleunigerelemente und sehr große Baulängen von mehreren Kilometern, um hohe Teilchenenergien zu erreichen.

In Ringbeschleunigern lassen sich hohe Teilchenenergien mit weniger Beschleunigerelementen erreichen, da die Teilchen den Ring vielfach durchlaufen. Zu den bekanntesten Bauformen von Ringbeschleunigern zählen:

  • In Synchrotrons werden Elementarteilchen durch Ablenkmagnete auf einer Kreisbahn gehalten. Die Beschleunigung der Teilchen erfolgt durch Linearelemente, die zwischen den Ablenkmagneten angeordnet sind. Die Flussdichte der Ablenkmagnete lässt sich in Synchrotrons proportional zur zunehmenden Energie der Teilchen erhöhen. Die bekannteste und größte derartige Maschine steht am CERN.
  • In Zyklotrons bewegen sich Elementarteilchen während des Beschleunigungsvorgangs in einem zeitlich konstanten Magnetfeld auf einer spiralförmigen Bahn, deren Radius sich mit zunehmender Teilchenenergie vergrößert. Eine Ablenkungselektrode am äußeren Rand der Beschleunigungskammer lenkt das Teilchen schließlich aus seiner Kreisbewegung heraus auf eine lineare Bahn. Der Energieaufbau erfolgt durch Beschleunigungselektroden. Zyklotrons werden auch in der medizinischen Diagnostik (Positronenemissions-Tomographie – PET) und in der Strahlentherapie genutzt.
  • In Mikrotrons zirkulieren Elementarteilchen in einem Hohlraumresonator mit konstanter Frequenz, der ihnen gleichmäßig Energie zuführt. Ein einziger Ablenkmagnet mit homogenem Feld hält sie auf einer Kreisbahn, deren Durchmesser mit steigender Teilchenenergie jedoch immer größer wird, bis das Teilchen das Mikrotron schließlich auf einer linearen Bahn verlässt. Rennbahnmikrotrone sind eine Weiterentwicklung dieses Systems mit zwei 180° Ablenkmagneten und dazwischen angeordnetem Linearbeschleuniger.
  • Betatrons, auch „Elektronenschleudern“ genannt, ähneln in ihrem Funktionsprinzip dem der Zyklotrons. Die Elementarteilchen beschreiben während des Beschleunigungsvorgangs eine spiralförmige Bahn mit sich vergrößerndem Durchmesser, statt der Beschleunigerelektroden kommt jedoch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld zum Einsatz.

Der Large Hadron Collider (LHC) im internationalen Beschleunigerzentrum CERN ist mit 27 km Durchmesser der derzeit größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Er erreicht Teilchenenergien bis 4 TeV. Starke supraleitende Magnete halten die Elementarteilchen auf ihrer Kreisbahn, fokussieren die Strahlen und ermöglichen die Analyse der entstehenden Kollisionsprodukte. Für die Entdeckung der W- und Z-Bosonen am CERN wurden Carlo Rubbia und Simon van der Meer 1984 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. 2013 erhielten François Englert und Peter Higgs die Ehrung für den ersten Nachweis des Higgs-Bosons im Juli 2012 am CERN.