Nachdem wir nun das erste Teilchen kennengelernt haben und etwas mehr Handwerkszeug zur Verfügung steht, stellt sich die Frage, wie man mehr über Teilchen erfahren kann.
Eine Möglichkeit, Wissen über die Zusammensetzung von Materie zu erhalten, hat uns Rutherford mit seinem Streuversuch aufgezeigt. Beschießt man Materie mit hochenergetischen Teilchen, so erfährt man etwas über die innere Struktur. Je mehr Energie die Teilchen haben, desto feiner kann man die Struktur auflösen.
Rutherford benutzte eine radioaktive Quelle um Alphateilchen zu erzeugen und erhielt durch einfaches Vorhalten einer Blende einen dünnen Teilchenstrahl geringer Energie. Dieser reichte aus, die Struktur der Goldfolie, deren Aufbau aus Goldatomkernen und deren Hüllen aufzulösen. Heute jedoch wissen wir, daß die Atomkerne aus Protonen und Neutronen aufgebaut sind und diese auch teilbar sind.
Wir müssen also einen Weg finden, Teilchen mit mehr Impuls auszustatten, um ihnen mehr Energie zu verleihen.
Die Auflösung ergibt sich aus der deBroglie-Wellenlänge der Teilchen zu
Das bedeutet praktisch, daß man für die Auflösung der Struktur im Inneren eines Protons, wir nehmen hier an, 1% des Protonradius ist ausreichend, die Energie
benötigt, wenn man das Proton mit Elektronen beschießt.
Eine zweite Möglichkeit ist es, zwei Teilchen zur Kollision zu bringen. Diese vernichten sich zu einem Trägerteilchen, welches nach kurzer Zeit in neue Fermionen zerfällt.
Eine weitere Möglichkeit ist die Untersuchung von Teilchen aus der kosmischen Strahlung. Diese Teilchen werden schon von Natur aus auf hohe Energien beschleunigt.
Heute bedient man sich hauptsächlich der zweiten Möglichkeit, man beschleunigt Teilchen und läßt sie kollidieren. Nach der Einsteinschen Formel über die Äquivalenz von Masse und Energie hat man dann folgende Energien zur Verfügung:
Ein beschleunigtes Teilchen hat die Energie
Läßt man dies nun auf sein Antiteilchen treffen, das mit der gleichen Energie behaftet ist, so hat man
zur Verfügung. Läßt man hingegen ein Teilchen (a) auf ein ruhendes (b) treffen, so nutzt man nur
ECM bedeutet hier: Energie im Schwerpunktsystem (Center of Mass) des entstehenden Teilchens. Im ersten Fall ruht das Teilchen, im zweiten Fall hat es einen Impuls in Richtung des beschleunigten Teilchens.
Nun drängt sich die Frage auf, wie man Teilchen beschleunigt und so zu hohen Energien kommen kann.