Teilchenbeschleuniger

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Synchrotron

Beim Synchrotron werden die Teilchen schon vor dem Eintritt in den Kreisring auf Energien von einigen Millionen Elektronenvolt gebracht. An einem oder an mehreren Punkten im Kreisring werden die Teilchen bei jedem Umlauf weiter beschleunigt. Um sie dabei auf einer Kreisbahn zu halten, wird das Magnetfeld entsprechend ihrer Energiezunahme verstärkt. Nach wenigen Sekunden treten Teilchen mit Energien von über einem Gigaelektronenvolt aus. Sie werden entweder direkt bei Experimenten verwendet oder auf Substanzen gerichtet, aus denen sie bestimmte Elementarteilchen herausschlagen können. Beschleuniger, die nach dem Prinzip des Synchrotrons arbeiten, kann man für Protonen oder für Elektronen verwenden. Die größten Anlagen dieses Typs sind Protonenbeschleuniger.

Der erste Beschleuniger, mit dem man Energien von einem Gigaelektronenvolt erzeugen konnte, war das Cosmotron, ein Protonen-Synchrotron am Brookhaven National Laboratory im US-Staat New York. Mitte der sechziger Jahre gab es zwei Synchrotrone, in denen man Protonen auf über 25 Gigaelektronenvolt brachte. Das eine befand sich ebenfalls am Brookhaven National Laboratory und das andere am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire: Europäische Organisation für Kernforschung) in Meyrin nahe Genf. Beim Tevatron am Fermi National Accelerator Laboratory (kurz: Fermilab) im US-Staat Illinois handelt es sich um eine 1-Tera-Elektronenvolt-Anlage (eine Billion Elektronenvolt). Derartig hohe Energien erhält man in diesem Proton-Antiproton-Synchrotron mit Hilfe supraleitender Magnete.

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Speicherring-Collider

In einem Collider (wörtlich: Kollisionsmaschine) lässt man Teilchen mit höheren Energien aufeinanderprallen als in einem konventionellen Beschleuniger. In diesem treffen die Teilchen auf ein ruhendes Ziel. Im Speicherring-Collider werden zwei Gruppen von Teilchen beschleunigt und in den Speicherring oder in die Speicherringe geführt. Sie stoßen dann beim Experiment frontal aufeinander. Der LEP (Abkürzung für Large Electron Positron Storage Ring: Großer Elektron-Positron-Speicherring) am CERN ist ein solches Gerät. Weil Elektronen und Positronen entgegengesetzte Ladungen haben, können sie im gleichen Ring gespeichert werden, in dem sie dann gegenläufige Kreisbahnen beschreiben. Sollen gleichnamig geladene Teilchen zusammenstoßen, muss man sie zuvor in getrennten Ringen speichern. Im Jahr 1987 wurde das Tevatron am Fermilab zu einem Speicherring-Collider umgebaut. Ferner wurde ein drei Stockwerke hoher Detektor installiert, mit dem die bei den frontalen Stößen entstandenen Teilchen identifiziert werden. Eine weitere wichtige Großforschungsanlage steht am DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg. Die HERA-Anlage ist ein Elektron-Proton-Speicherring (HERA steht für Hadron-Elektron-Ring-Anlage). Mit HERA lassen sich Protonen mit einer Strahlenenergie von 800 Gigaelektronenvolt erzeugen.

So leistungsfähig die Collider heute auch sind, brauchen die Physiker doch immer höhere Teilchenenergien und damit größere Anlagen, um die neuen Theorien experimentell zu überprüfen. Leider ist der Bau großer Speicherringe extrem teuer. Allein für die HERA-Anlage benötigte man um 650 Millionen DM (etwa 325 Millionen Euro). 1988 begann man in den USA mit den Vorbereitungen für einen Supraleiter-Supercollider (SSC) in Texas. Nachdem schon rund ein Fünftel des Tunnels fertig gestellt war, bewilligte der amerikanische Kongress im Oktober 1993 keine weiteren Mittel mehr, und damit stoppte das Projekt, für das insgesamt über zehn Milliarden US-Dollar veranschlagt waren.

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Speicherringe für neutrale Atome

Einer der ersten Speicherringe für neutrale Atome ist das Nevatron an der Georgia Technology University in Atlanta. Anders als bei Speicherringen für geladene Teilchen, in denen sehr hohe Energien erzeugt werden (z. B. Tera-Elektronenvolt, TeV), weisen die Atome im Nevatron nur geringste Energien im Bereich von milliardstel Elektronenvolt auf (Nano-Elektronenvolt, NeV). Außerdem hat der Ring des Nevatrons einen Radius von nur zwei Zentimetern – ganz im Gegensatz zu anderen Anlagen mit Radien von einigen Kilometern. Zur Lenkung der Teilchen mit Hilfe von Magnetfeldern werden die Dipolmomente der Atome genutzt; zur Einschleusung in die Minianlage dienen spezielle Laser. Um die Flugrichtung zu kontrollieren, muss ebenfalls die Geschwindigkeit der Atome stark reduziert werden, was durch Ultrakühlung auf fast -273 °C gelingt.

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Anwendungen

Mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern kann man Atomkerne selbst und die fundamentalen Teilchen erforschen, die den Atomkern aufbauen. Man identifizierte bereits einige hundert solcher subnuklearer Teilchen. Die Vertreter der Hochenergiephysik hoffen, die Regeln oder Prinzipien zu erkennen, die eine Systematisierung dieser Teilchen erlauben. Ein solches System wäre für die Kernphysik ähnlich nützlich, wie es das Periodensystem der Elemente für die Chemie ist. Mit Hilfe von Speicherringanlagen hat man Teilchen erzeugen können, die einige Mikrosekunden nach der Entstehung des Universums vorhanden gewesen sein sollen (z. B. Quarks).

Am CERN wurde 2008 der so genannte Large Hadron Collider (abgekürzt LHC; sinngemäß: Großer Hadronen-Beschleuniger) in Betrieb genommen. Der LHC hat einen Umfang von fast 27 Kilometern und ist die größte jemals erbaute Maschine. Mit Hilfe dieses Beschleunigers lassen Forscher Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen. Durch derartige Experimente erhoffen sich die Wissenschaftler u. a. neue Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Masse und Materie.

Ein anderer Anwendungsbereich für Teilchenbeschleuniger ist die Fusionsforschung. Ziel dieser Forschung ist die Nutzung der Kernfusion (Verschmelzung von Atomkernen) zur Gewinnung von Energie. 1991 wurde im JET-Laboratorium (Joint European Torus) in England erstmals in der Geschichte eine bedeutende Energieleistung, etwa 1,7 Millionen Watt, aus kontrollierter Kernfusion gewonnen – Ausgangspunkt für dieses Ergebnis war die Erzeugung eines Plasmas. Im Dezember 1993 benutzten Forscher an der Universität von Princeton einen Tokamak-Fusionsversuchsreaktor (TFTR: Tokamak Fusion Test Reactor) für eine kontrollierte Kernfusion mit einer Leistung von 5,6 Millionen Watt – der TFTR wurde auf Grund der enormen Kosten im April 1997 stillgelegt.

Den Wissenschaftler am JET-Laboratorium gelang 1997 die Erzeugung von zwölf Millionen Watt – die erzeugte Energiemenge lag bei rund elf Millionen Joule. JET ist zur Zeit die einzige Anlage, die in der Lage ist, Deuterium-Tritium-Plasmen zu erzeugen. Interessant ist vor allem das Verhältnis von erzeugter Fusionsleistung zur aufgewendeten Heizleistung. Mit den bisherigen Möglichkeiten musste eine enorme Energiemenge aufgewandt werden, um den Fusionsprozess überhaupt in Gang zu setzen. Bei dem JET-Experiment von 1997 erreichte man ein Verhältnis von 50 Prozent, d. h. die Hälfte der aufgewandten Energie konnte in Form von Fusionsenergie zurückgewonnen werden – bei früheren Experimenten lag dieses Verhältnis häufig unter 25 Prozent. Um ein selbständig brennendes Plasma zu produzieren ist ein internationaler Testreaktor geplant. Dieser ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor) soll eine Fusionsleistung von einer Milliarde Watt über längere Zeiträume (um eine Stunde) liefern.

Siehe auch Kernenergie; Teilchendetektoren