1.

Einleitung

Teilchenbeschleuniger, physikalisch-technische Großanlagen zum Beschleunigen von Elementarteilchen oder Ionen.

Teilchenbeschleuniger zählen zu den größten und teuersten in der Physik verwendeten Vorrichtungen, mit denen man Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten bringt. Im Wesentlichen bestehen diese Anlagen aus drei Teilen: einer Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen, einer weitgehend evakuierten röhrenförmigen Bahn, in der sich die Teilchen frei bewegen können, und einer Einheit zum Beschleunigen der Teilchen. Üblicherweise sind Teilchenbeschleuniger mit anderen Einrichtungen wie z. B. Teilchendetektoren gekoppelt.

Geladene Teilchen lassen sich mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes beschleunigen. Das gelingt beispielsweise durch eine hohe Potentialdifferenz zwischen Elektroden, die an den Enden der evakuierten Röhre angebracht werden. Auf diese Weise gelang es beispielsweise den englischen Wissenschaftlern John D. Cockcroft und Ernest Walton, Protonen auf Energien von 250 000 Elektronenvolt (eV) zu beschleunigen. Der so genannte Van-de-Graaff-Generator lässt sich auch als Teilchenbeschleuniger einsetzen. Diese Vorrichtung arbeitet mit Hilfe der Elektrostatik. Zwischen zwei Elektroden wird durch Ladungstrennung an einem bewegten Riemen eine Potentialdifferenz erzeugt. Dadurch können Teilchen bis auf Energien von zehn Megaelektronenvolt (zehn Millionen Elektronenvolt) gebracht werden.

2.

Linearbeschleuniger

Den Linearbeschleuniger konzipierte man Ende der zwanziger Jahre des 20. Jahrhunderts. Hier werden Teilchen mit Hilfe von Wechselspannungen auf einer geraden Bahn vorangetrieben. Für niedrige Energien nutzt man elektrostatische Felder zur Beschleunigung. Bei höheren Energien setzt man hochfrequente elektrische Wechselfelder ein (HF-Linearbeschleuniger). Die Teilchen passieren beim Durchgang durch den Beschleuniger eine Reihe röhrenförmig gebauter Elektroden. Die Elektroden stehen hintereinander. Die Frequenz der Wechselspannung wird so eingestellt, dass ein Teilchen immer dann nach vorn beschleunigt wird, wenn es gerade die Lücke zwischen zwei Elektroden passiert. Theoretisch kann man Linearbeschleuniger für beliebige Energien bauen. Mit einer Länge von 3,2 Kilometern zählt der Linearbeschleuniger an der Stanford University (Kalifornien) zu den größten der Welt. Hier können Elektronen auf Energien von bis zu 50 Gigaelektronenvolt (50 Milliarden Elektronenvolt) gebracht werden.

3.

Zyklotron

Der amerikanische Physiker Ernest O. Lawrence erhielt im Jahr 1939 den Physik-Nobelpreis für die Entwicklung des Zyklotrons, eines ringförmig konstruierten Teilchenbeschleunigers. Dieser ähnelt vom Arbeitsprinzip her einem Linearbeschleuniger. Allerdings ist beim Zyklotron die Bahn, auf der sich die Teilchen bewegen, kreisförmig (Ringbeschleuniger) oder zu einer engen Spirale geformt. Mit Hilfe eines Hochleistungs-Elektromagneten erzeugt man ein senkrecht zu den Flugbahnen der Teilchen verlaufendes Magnetfeld (siehe Magnetismus). Damit hält man die Teilchen auf der gekrümmten Bahn. Zwischen den Polschuhen des Magneten liegt die Vakuumkammer, in der die Beschleunigung stattfindet. Dort befinden sich zwei halbkreisförmige Elektroden, die Duanten. Sie sehen im Querschnitt wie der Buchstabe D aus und werden deshalb auch D’s oder englisch Dees genannt. Sie sind mit der geraden Linie, also Rücken an Rücken, aneinandergesetzt:  D. Jedes Mal, wenn die Teilchen die Lücken zwischen den D’s passieren, werden sie beschleunigt. Während die Teilchen mehr und mehr Energie aufnehmen, wird der Durchmesser ihrer spiralförmigen Bahn immer weiter. Sie gelangen schließlich an den Rand des Beschleunigers und verlassen ihn.

Die Beschleunigung der Teilchen wird durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Je näher die Geschwindigkeit der Teilchen an die Geschwindigkeit des Lichtes angrenzt, desto drastischer nimmt ihre Masse zu. Nach der Relativitätstheorie würde die Masse bei Lichtgeschwindigkeit unendlich groß sein. In den ersten Zyklotronen kamen die Beschleunigungsstöße in der Lücke der Dees zum jeweils falschen Zeitpunkt. In diesem Zusammenhang entwickelten der russische Physiker Wladimir I. Weksler und der amerikanische Physiker Edwin M. McMillan das Synchrozyklotron. Ihre technische Neuheit stellten sie im Jahr 1945 der Fachwelt vor. Das Synchrozyklotron arbeitet nach einem frequenzmodulierten Prinzip. Bei diesem Zyklotronmodell wird der Generator mit Hilfe der Radiofrequenz, die auch die Teilchen beschleunigt, automatisch gesteuert. Durch diese Arbeitsweise erfolgen die Beschleunigungsstöße im richtigen Takt. Den Frequenztakt verlangsamt man in dem Maß, in dem die Masse der Teilchen zunimmt. Für höhere maximale Energien muss logischerweise das Synchrozyklotron auch größer sein, denn die Radien der Teilchen nehmen ja mit größerer Energie zu. Mit einem Ringdurchmesser von sechs Metern zählt das Phasotron im russischen Dubna-Institut für Kernforschung zu den größten Synchrozyklotronen der Welt. Es beschleunigt Protonen auf mehr als 700 Megaelektronenvolt, und seine Magnete wiegen fast 7 000 Tonnen.

Das derzeit leistungsfähigste Zyklotron, das K 1200, ging 1988 am National Superconducting Cyclotron Laboratory an der Universität von Michigan (USA) in Betrieb. Hier erreichen die Atomkerne etwa acht Gigaelektronenvolt.

4.

Betatron

Beim Beschleunigen von Elektronen steigt deren Masse schon bei relativ geringen Energien merklich an: Bei einer Energie von einem Megaelektronenvolt hat ein Elektron bereits eine dreimal so hohe Masse wie ein ruhendes Elektron. Für derart enorme Massenzunahmen sind Synchrozyklotrone nicht ausgelegt. Daher entwickelte man für Elektronen einen anderen Beschleunigertyp, das Betatron. Es enthält eine Vakuumkammer, die aus zwei Hälften einer abgeflachten Kugel zusammengesetzt ist und sich zwischen den Polen eines Magneten befindet. Die Elektronen werden durch ein Magnetfeld, das so genannte Führungsfeld, auf Kreisbahnen gehalten. Der Elektromagnet wird mit Wechselstrom betrieben. Die Elektronen werden durch die Kräfte beschleunigt, die von den Änderungen des magnetischen Flusses entlang der Kreisbahn herrühren. Führungsfeld und magnetischer Fluss werden so variiert, dass der Radius der Elektronenbahnen stets gleich bleibt.

5.

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.

6.

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.

7.

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.

8.

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