Teilchenbeschleuniger - Schlüssel zum Mikrokosmos

Das Forschungszentrum SLAC in Kalifornien

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Der erste große Linearbeschleuniger SLC ging 1989 am Forschungszentrum SLAC in Stanford, USA, in Betrieb. Die drei Kilometer lange Beschleunigungsstrecke mündet in einer "Schleife", in welche die Elektronen und Positronen so gelenkt werden, dass sie in einem Punkt kollidieren.

Beschleuniger und Speicherringe für Protonen, Elektronen und andere Teilchen sind eine wichtige Voraussetzung für die experimentelle Elementarteilchenphysik. Viele bahnbrechende Entdeckungen sind nur mit Hilfe immer leistungsfähigerer Beschleuniger möglich geworden. Dies folgt unmittelbar aus den Grundprinzipien der Relativitäts- und der Quantentheorie. Auf Grund der Äquivalenz von Energie und Masse, E = mc², können neue, schwere Teilchen nur mit Beschleunigern entsprechend hoher Energie erzeugt werden. Für die Analyse feinster Strukturen innerhalb der Protonen und Neutronen wiederum benötigt man Teilchen extrem hoher Energie, da den Gesetzen der Quantentheorie zufolge nur hochenergetische Teilchen eine ausreichende "Treffgenauigkeit" besitzen, um die winzigen Strukturen innerhalb der Protonen und Neutronen sichtbar machen zu können. Diese hochenergetischen Teilchen lassen sich ebenfalls nur mit sehr leistungsfähigen Beschleunigern erzeugen.

Die heutigen Beschleuniger

Einen erheblichen Fortschritt machte die experimentelle Teilchenphysik, als es gelang, in den Beschleunigern Teilchenstrahlen frontal miteinander kollidieren zu lassen. Dabei kann die gesamte Energie der Strahlteilchen zur Erzeugung neuer, schwerer Elementarteilchen ausgenutzt werden. Deshalb sind die meisten Großbeschleuniger "Collider", in denen die Teilchenstrahlen für viele Stunden in einem Speicherring umlaufen und in den "Wechselwirkungspunkten" frontal zur Kollision gebracht werden. Als Strahlteilchen werden die beiden wichtigsten Bausteine der Materie und ihre Antiteilchen verwendet: Protonen und Antiprotonen, Elektronen und Positronen.

Die großen Beschleuniger der Teilchenphysik, mit denen die Experimente des vergangenen Jahrzehnts durchgeführt wurden, sind der Elektron-Positron-Collider LEP des Europäischen Zentrums für Teilchenphysik CERN in Genf, der bis Ende 2000 betrieben wurde, der Stanford Linear Collider SLC in Stanford, USA, der Proton-Antiproton-Collider Tevatron am Fermilab in Chicago, USA, sowie der Elektron-Proton-Collider HERA bei DESY in Hamburg. Diese Anlagen (siehe Tabelle) ergänzen sich in ihren Möglichkeiten.

Die großen Beschleuniger der Teilchenphysik. In ihnen kollidieren Paare von Teilchen mit hoher Energie.

Bevor die Teilchen in den Collider gelangen, werden sie in anderen Ringen vorbeschleunigt. Dazu werden traditionell Synchrotrone verwendet, in denen Protonen oder Elektronen auf einer Kreisbahn immer wieder eine Beschleunigungsstrecke durchlaufen, die ihre Energie durch ein elektrisches Wechselfeld bei jedem Umlauf um einen kleinen Betrag vergrößert. Damit die Teilchen auf ihrer Bahn bleiben, müssen die magnetischen Führungsfelder synchron mit ihrem Umlauf erhöht werden. Oft erfolgt die letzte Beschleunigungsstufe im Collider selber, der dann ebenfalls als Synchrotron betrieben wird.

Blick in den HERA-Tunnel bei DESY in Hamburg

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Blick in den HERA-Tunnel: Die Hadron-Elektron-Ring-Anlage HERA ist ein 6,3 km langer Ringbeschleuniger, an dem gegenwärtig die Teilchenforschung bei DESY betrieben wird. HERA ist die einzige Beschleunigeranlage weltweit, an der zwei verschiedene Arten von Teilchen kollidieren: die leichten Elektronen und die 2000-mal schwereren Protonen.

Die Leistungsgrenzen eines Synchrotrons sind für Protonen und Elektronen sehr verschieden. Bei den relativ schweren Protonen ist die Grenze durch die maximal erreichbare Stärke des Magnetfelds gegeben. In den letzten 20 Jahren konnte sie durch die Entwicklung supraleitender Beschleunigermagnete enorm gesteigert werden. Die leistungsstärksten Protonen-Synchrotrone sind das Tevatron und HERA. Nach rund 10 Millionen Umläufen erreichen in ihnen die Protonen eine Energie von 900 GeV. Dies entspricht einer Beschleunigungsspannung von 900 Milliarden Volt, also mehr als dem Millionenfachen der Spannung einer Überlandleitung.

Das Forschungszentrum Fermilab bei Chicago

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Luftbild des Forschungszentrums Fermilab bei Chicago: Die Protonen und Antiprotonen werden zunächst im "Main Injector" (im Vordergrund) vorbeschleunigt, bevor sie in den eigentlichen Tevatron-Collider (im Hintergrund) eingeschleust werden.

Die viel leichteren Elektronen erreichen in Beschleunigern bei weitem nicht so hohe Energien. Sie strahlen sehr intensiv, wenn sie vom Magnetfeld abgelenkt werden, das sie auf ihrer Bahn hält. Diese Synchrotronstrahlung wächst mit zunehmender Energie sehr stark an. Das weltweit größte Elektronen-Synchrotron LEP hatte einen Umfang von 27 km und konnte Elektronen auf maximal 104 GeV beschleunigen. Dabei verlieren die Teilchen während jedes Umlaufs einige Prozent ihrer Energie und müssen deshalb durch ein sehr aufwändiges System von supraleitenden Hochfrequenzresonatoren immer wieder nachbeschleunigt werden.

Ein Quadrupolmagnet von HERA

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Ein Quadrupolmagnet, der den im HERA-Beschleuniger umlaufenden Protonenstrahl bündelt, wird im Tunnel eingebaut. Knapp 80 tonnenschwere, ein bis vier Meter lange Magnete wurden während der großen Umbauphase von HERA von Herbst 2000 bis Sommer 2001 neu konstruiert und in den Beschleuniger eingebaut.

Die wesentlichen Komponenten von Teilchenbeschleunigern sind:

• Teilchenquellen, in denen die zu beschleunigenden Teilchen - meist Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, sowie Protonen oder Antiprotonen - erzeugt werden. Gleich nach ihrer Freisetzung werden die Teilchen mit magnetischen Feldern wieder eingefangen, gebündelt und durch die erste Beschleunigungsstrecke geschickt.
• Vakuumrohre mit einem Druck von typischerweise einem hundertmillionstel (10^-8) Millibar, damit möglichst wenige der Teilchen durch Zusammenstöße mit Luftmolekülen verloren gehen.
• Fokussierungsmagnete: Ein Teilchenstrahl ist nicht gleichförmig, sondern besteht aus kleinen "Paketen", deren Teilchen alle die gleiche Ladung tragen und daher auseinander streben. Deshalb durchfliegen sie in regelmäßigen Abständen Quadrupolmagnete, deren Felder sie wieder zusammenführen.
• Beschleunigungsstrecken: In kleinen Niederenergie-Linearbeschleunigern durchfliegen die Teilchen eine Reihe von Driftröhren, an die eine Wechselspannung gelegt ist. Diese wirkt zwischen den Röhren beschleunigend, während des Spannungswechsels befinden sich die Teilchen abgeschirmt innerhalb der Röhren. In Ringbeschleunigern und langen Hochenergie-Linearbeschleunigern werden die Teilchen in Hohlraumresonatoren beschleunigt, in denen hochfrequente elektromagnetische Felder schwingen.
• Führungsmagnete: Um die Teilchen innerhalb eines Ringes oder zwischen zwei Beschleunigern auf dem "richtigen" Weg zu halten, werden Dipolmagnete eingesetzt, deren Magnetfeld die Teilchen auf eine gekrümmte Bahn zwingt.

Beschleuniger der Zukunft

Für die nächste Generation von Höchstenergieanlagen kommen nur zwei Beschleunigertypen in Frage: kreisförmige Proton-Proton-Collider und lineare Elektron-Positron-Collider. Bei CERN wird am Large Hadron Collider LHC gearbeitet, der im ehemaligen LEP-Tunnel aufgebaut wird und zwei gegenläufige Protonenstrahlen auf jeweils 7000 GeV beschleunigen soll. Die supraleitenden Magnete werden mit supraflüssigem Helium gekühlt und erreichen Felder, die 50 % stärker sind als diejenigen bei HERA.

Beschleunigungsstruktur

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Im geplanten Internationalen Linearcollider ILC sollen supraleitende Beschleunigungsstrukturen aus Niob, so genannte Resonatoren, die Teilchen auf höchste Energien bringen. In den Resonatoren schwingen hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder, auf denen die Teilchen - ähnlich wie ein Surfer auf einer Wasserwelle - mitgeführt und beschleunigt werden.

Bei der Beschleunigung von Elektronen oder Positronen hat man mit der LEP-Anlage die Grenzen dessen erreicht, was Kreisbeschleuniger leisten können: Für Teilchenenergien oberhalb von 100 GeV können die durch Synchrotronstrahlung verursachten Energieverluste nicht mehr mit vertretbarem Kostenaufwand kompensiert werden. Will man noch höhere Energien erreichen, so muss man lineare Beschleuniger verwenden. Der in weltweiter Zusammenarbeit geplante Internationale Linearcollider ILC hat eine Länge von über 30 km und soll eine Gesamtenergie von bis zu 1000 GeV liefern. Er wird supraleitende Beschleunigungsstrukturen verwenden. Die technologische Herausforderung besteht darin, extrem hohe und stabile Beschleunigungsfelder zu erzeugen und gleichzeitig die Baukosten möglichst niedrig zu halten. Seit Beginn der Entwicklungsarbeiten Anfang der 1990er Jahre konnte die Beschleunigungsspannung pro Meter um mehr als das Fünffache gesteigert werden. Mit speziellen Resonatoren erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter.

Da der Elektronenstrahl eines solchen supraleitenden Linearbeschleunigers eine außergewöhnlich gute Qualität hat, kann man diese Technologie nutzen, um einen neuartigen Röntgenlaser zu betreiben, dessen Intensität alle bisherigen Röntgenquellen milliardenfach übersteigt. Mit Hilfe eines solchen Lasers können Materialien sowie chemische und biologische Abläufe atomgenau auf atomaren Zeitskalen abgebildet werden. Der auf dem neuartigen Laserprinzip beruhende, 260 Meter lange Freie-Elektronen-Laser VUV-FEL hat im Jahr 2005 bei DESY den Nutzerbetrieb aufgenommen. Die Inbetriebnahme des ebenfalls bei DESY geplanten, 3,4 Kilometer langen europäischen Röntgenlasers XFEL ist für 2012 vorgesehen.

Die Entwicklung leistungsfähiger Beschleuniger bleibt die unverzichtbare Voraussetzung dafür, dass die Teilchenphysik auch in Zukunft wissenschaftliches Neuland entdecken kann.