Seltene Ereignisse

Ein langes Leben: Der eine versteht darunter eine Zeitspanne von 90 Jahren, der andere eine von 75 Jahren. Ein "winziges" Teilchen mit dem Namen Pi-Meson lebt gerade einmal 0,000 000 000 000 01 Sekunden (anders ausgedrückt: 10^-14 Sekunden) - und ist doch nahezu unsterblich, wenn man wie ein Kernphysiker denkt. "Das Teilchen existiert immerhin milliardenfach länger als die Kollision dauert, bei der es entsteht. Würde unser Leben so viel länger dauern als unsere Geburt, würden wir es als unendlich lang bezeichnen", rechnet Prof. Kurt Kilian, Direktor am Institut für Kernphysik, vor.

Die Nadel im Heuhaufen

Ringdetektor am Flugzeitspektrometer TOF

Bildbeschreibung:
Bild 1: 48 spiralförmige Szintillatorstreifen bilden die so genannte "Banane-rechts"-Ebene, eine der drei Szintillatorebenen des Ringdetektors am Flugzeitspektrometer TOF. Dieses externe COSY-Experiment besitzt insgesamt fünf unabhängige Einzeldetektoren (links).
Man nehme: Eine Pizza und zwei Bananen - fertig ist der Ringdetektor. Zum Test haben ihn Mitarbeiter der IKP-Werkstatt in der Zentralabteilung Technologie (ZAT) aufgebaut. Durch Überlagerung der jeweils 48 spiralförmigen Szintillatoren in den beiden Bananen-Ebenen und der 96 geraden Szintillatoren in der Pizza-Ebene entstehen über 3000 dreieckige Segmente (rechts).

Für Kurt Kilian und seine Mitarbeiter gehört es zum Alltag, frisch erzeugte Teilchen wie das Pi-Meson mit Messgeräten - so genannten Detektoren - nachzuweisen. Die Lebensdauer der Teilchen gilt dabei unter den Wissenschaftlern als eher kleines Problem. Doch ein anderer Umstand stellt enorme Anforderungen an Detektoren und Datenverarbeitung: Oft sind eine Million Zusammenstöße zwischen Protonen oder zwischen Protonen und anderen Atomkernen im COSY-Beschleuniger notwendig, damit ein einziges Mal die Spezies aus dem "Teilchenzoo" entsteht, für die sich die Physiker gerade interessieren. Messgeräte und Elektronik müssen also in der Lage sein, gleichsam die Nadel im Heuhaufen zu finden.

Haben sie diese entdeckt, ist aber noch nicht wirklich etwas erreicht. Denn die COSY-Physiker sind nicht auf der Jagd nach unbekannten Teilchen, sondern wollen die Eigenschaften bekannter Teilchen präzise bestimmen. Dazu müssen sie diese erst viele Tausend Mal erzeugen, um dann statistische Aussagen treffen zu können. Zur Erklärung benutzt Kurt Kilian einen Vergleich: "Wenn man wissen will, wie viele Menschen in Deutschland rauchen, muss man eine ,statistisch repräsentative Umfrage' machen. Man ist noch lange nicht am Ziel, wenn man einen einzigen Raucher gefunden hat."

Spezialisten für jede Aufgabe

Die Wissenschaftler verwenden je nach Aufgabenstellung unterschiedliche Arten von Detektoren. Kommt es beispielsweise darauf an, möglichst genau zu messen, wo ein Teilchen entlang fliegt, sind Driftkammern besonders geeignet. Sie enthalten ein Gas sowie Tausende von Drähten, die in mehreren Schichten angeordnet sind. Durchquert ein Teilchen die Kammer, ionisiert es das Gas: Es entstehen paarweise positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen. Aufgrund der elektrischen Spannung von typischerweise 2000 Volt, die an den Drähten anliegt, trennen sich die Ladungsträger: Während die positiven Ionen zu den Schichten aus negativ geladenen Drähten wandern, bewegen sich - "driften" - die Elektronen in Richtung der positiv geladenen Drähte. So erzeugen sie in den Drähten, die nahe an der Teilchenbahn liegen, Signale, die von der Messelektronik aufgezeichnet werden.

Bei manchen Driftkammern am COSY kann die Stelle, an der das Teilchen die Kammerfläche durchfliegt, auf 0,2 Millimeter genau bestimmt werden - obwohl die Fläche selbst mehr als ein Quadratmeter groß ist. Da das Teilchen auf seinem Weg durch die Kammer mehrere Drahtschichten passiert, lässt sich seine Spur komplett rekonstruieren.  

Das Experiment COSY-11

Bildbeschreibung:
Bild 2: Seltsames und weniger Seltsames wird mit dem internen Experiment COSY-11 untersucht (links: schematischer Aufbau, rechts: Foto des Experimentes im COSY-Ring). Der richtigen Kombination verschiedener Detektoren entgeht (fast) nichts.

Wollen die Forscher möglichst präzise bestimmen, wann ein Teilchen durch eine Fläche fliegt, verwenden sie meist Szintillationsdetektoren (Bild 1). Die durchsichtigen Materialien darin werden durch hochenergetische Teilchen dazu angeregt, Lichtblitze auszusenden. Photovervielfacher registrieren die Lichtblitze und wandeln sie in ein elektrisches Signal um. Werden zwei Szintillatoren in einigen Metern Abstand voneinander aufgestellt, so können sie sehr exakt darüber Auskunft geben, wie lange ein Teilchen von einem Ort zum anderen unterwegs war. "Wir haben Szintillatoren, die messen die Flugzeit eines Teilchens auf 0,25 milliardstel Sekunden genau - in dieser Zeit legt selbst Licht nur eine Strecke von 7,5 Zentimetern zurück", sagt Kurt Kilian.

Zu solch einer hohen "Zeitauflösung" - wie der Physiker sagt - sind eine dritte Art von Messgeräten, die Halbleiterdetektoren, nicht fähig. Diese dünnen Plättchen aus halbleitendem Material sind stattdessen in der Lage, die Energie der auftreffenden Teilchen besonders genau zu bestimmen. Wenn es dagegen um die Messung von Impulsen - einer weiteren wichtigen Größe zur Charakterisierung von Teilchen - geht, können Magnetspektrometer ihre Stärke ausspielen. Ihr Magnetfeld lenkt geladene Teilchen von ihrer geradlinigen Flugbahn ab und zwingt sie auf einen Kreisbogen. Je kleiner der Impuls des Teilchens, umso enger ist die Kurve, die es fliegt. Bei zwei Partikeln mit gleicher Masse bedeutet das: Das Teilchen mit der geringeren Geschwindigkeit wird stärker abgelenkt und fliegt einen stärker gekrümmten Bogen als das andere. Hinter dem Magnetfeld werden die Endpunkte der Flugkurven aufgezeichnet.

Die Mischung macht's

"Weil es den perfekten Alleskönner unter den Detektoren nicht gibt, kombinieren wir alle hier am COSY bei unseren Versuchen verschiedene Detektortypen miteinander", sagt Prof. Walter Oelert. Er gehört zum COSY-11-Team. Bei diesem internen Experiment erzeugen die Wissenschaftler beispielsweise Mesonen, die ein strange- (seltsames) Quark als Baustein enthalten. Produzierte Teilchen werden durch Magnete vom Protonenstrahl des Beschleunigers abgetrennt und durch das Zusammenspiel von Driftkammern, Szintillatoren und Siliziumdetektoren, eine bestimmte Sorte von Halbleiterdetektor, charakterisiert (Bild 2).

"Da wir jede einzelne der Reaktionen beobachten wollen, müssen wir durch die Detektoren in der Lage sein, in jedem Teilchen-Crash für alle Reaktionsprodukte sowohl die Energie als auch die Impulse in allen drei Raumrichtungen zu bestimmen", erläutert Kurt Kilian. "Letztlich gilt das für jede Messeinrichtung am COSY."