Teilchenbeschleuniger

Den einfachsten Teilchenbeschleuniger kennt (fast) jeder und die meisten haben ihn sogar zuhause: eine Braunsche Röhre, wie sie sich in jedem Fernseher als Bildröhre befindet. Darin werden Elektronen mittels eines elektrischen Feldes beschleunigt. Natürlich erhalten die Elektronen in einer Fernsehröhre nicht die Energien, die wir benötigen, um damit Teilchenphysik zu betreiben, doch sie ist ein gutes Beispiel, um den Energiegewinn eines geladenen Teilchens in einem elektrischen Feld zu zeigen. Dabei gilt:

Nun kann man sich vorstellen: um ein Elektron, das schon die Ruheenergie von E_e^-=511 keV hat, mit einer Energie von 1 MeV auszustatten, benötigt man 489 Beschleunigungsstrecken mit einer Spannungsdifferenz von je 1 kV. Dies löst man z. B. wie folgt:

Das Bild ist nicht maßstabsgetreu. Zunächst langsame Elektronen werden natürlich schneller und so muß der Abstand der Platten größer werden. Bei Elektronen mit relativistischen Gechwindigkeiten ist dies nicht mehr notwendig.

Für höhere Energien setzt man jedoch keine Hochspannungsstrecken, sondern Hohlraumresonatoren. Die mit Mikrowellen erzeugten hohen Feldstärken beschleunigen Teilchen, die zum richtigen Zeitpunkt durch den Resonator fliegen. Mit modernen supraleitenden Hohlraumresonatoren kann man heute Feldstärken von 10 ^MV/_m erreichen.

Baut man einen solchen Linearbeschleuniger durch Aneinanderreihen von geraden Beschleunigungsstrecken, so benötigt man viel Platz, um möglichst viele Beschleunigungsstrecken realisieren zu können.

Platz und damit auch Geldmittel kann man sparen, indem man zu Ringbeschleunigern übergeht. Um die geladenen Teilchen auf eine Kreisbahn zu zwingen, bedient man sich der Lorentz-Kraft. Diese zwingt geladene Teilchen in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn. So kann man eine Beschleunigungsstrecke mehrfach nutzen, man muß nur das Magnetfeld der jeweils gestiegenen Teilchengeschwindigkeit anpassen. Aufgrund dieser "synchronen" Anpassung des Magnetfelds, nennt man einen Ringbeschleuniger auch "Synchrotron". Die Wirkung der Lorentz-Kraft hängt vom Ladungsvorzeichen ab, so daß man Teilchen und Antiteilchen im gleichen Ring beschleunigen kann.

Bei einem Ringbeschleuniger entsteht jedoch das Problem der Synchrotronstrahlung, die die Teilchen während eines Umlaufs um den Ring einen nicht geringen Energiebetrag verlieren läßt. Die abgestrahlte Leistung ist umso stärker, je größer die Kreisbeschleunigung im Vergleich zur Ruhemasse des beschleunigten Teilchens ist. Daher gibt es insbesondere bei Elektronenbeschleunigern eine Grenze für die höchste erreichbare Energie.

Läßt man Teilchen und Antiteilchen in s. g. Paketen, Wolken dieser Teilchen, in entgegengesetzten Richtungen umlaufen, kann man diese an jedem Punkt des Rings zur Kollision bringen. Im Falle von Elektronen und Positronen kollidieren nicht immer zwei Teilchen miteinander, wenn sich die Pakete durchsetzen. Kollidieren jedoch zwei Teilchen, so steht am Wechselwirkungspunkt die Summe deren Energien zur Verfügung. Alle weiteren Teilchen der Pakete stehen für Kollisionen in weiteren Umläfen zur Verfügung.

Aufgrund der Synchrotronstrahlung werden Ringbeschleuniger für Elektronen ab einer Teilchenenergie von 100 GeV unwirtschaftlich.

Man kann alle stabilen geladenen Teilchen in Beschleunigern auf hohe Energien bringen. Heute hat man Beschleuniger für Elektronen, Positronen, für Protonen und Antiprotonen und sogar für Ionen bis zum Kern des Bleiatoms.

Kollidieren hochenergetische Teilchen mit Materie, so entsteht eine Vielzahl anderer Teilchen, die in Richtung des ursprünglichen Teilchens fliegen. Durch geeignete Wahl der Materie und eine folgende Selektion mit Hilfe von Magneten und Kollimatoren (Blenden) lassen sich gezielt Strahlen der neuen Teilchen erzeugen. Heute stehen an den Beschleunigerzentren Strahlen anderer als der besprochenen hochenergetischen Teilchen für Experimente zur Verfügung.

Elektron-Positron-Paare erzeugt man z. B. indem man Photonen auf ein Blei-Target schießt:

Jetzt haben wir hohe Energien zur Verfügung (hunderte GeV) und können nun die Bezeichnung Hochenergiephysik für die Teilchenphysik nachvollziehen, doch wie weist man nun Reaktionsprodukte nach?