Der Weg der Teilchen durch die Beschleunigerkette

Tatort DESY, Beschleunigerkontrollraum. Nach der jährlichen Winterunterbrechung soll HERA wieder anlaufen. Vor Wochen schon wurden die Netzgeräte, die den Beschleuniger mit Spannung versorgen, eingeschaltet und getestet. Sie laufen am besten im Dauerbetrieb, weshalb man sie in der Zwischenzeit gar nicht mehr ausgeschaltet hat. Im Kontrollraum bereiten die "Operateure" - die Physiker, Techniker und Ingenieure, die für die Funktion des Beschleunigers zuständig sind - die "Füllung" von HERA mit Elektronen und Protonen vor. Beide Teilchenstrahlen werden nicht etwa in HERA von Null auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. Die Beschleunigung geschieht vielmehr Schritt für Schritt, in einem komplexen Geflecht von Vorbeschleunigern, in dem nahezu alle Beschleuniger vertreten sind, die im Laufe der 40-jährigen DESY-Geschichte gebaut wurden.

Die Operateure beginnen mit den Protonen, denn diese lassen sich aufgrund ihrer hohen Energie weniger beeindrucken, wenn später der Elektronenstrahl hinzukommt. Zunächst durchlaufen die Teilchen den Linearbeschleuniger LINAC III, der sie auf eine Energie von 50 Millionen Elektronenvolt bringt. Daraufhin schießt man sie in das Synchrotron DESY III ein und transferiert sie dann mit 8 Milliarden Elektronenvolt (d.h. 8 Gigaelektronenvolt, GeV) in den PETRA-Ring, in dem sie auf 40 GeV hochgefahren werden.

Das komplexe System von Vorbeschleunigern und Speicherringen bei DESY

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Das komplexe System von Vorbeschleunigern und Speicherringen bei DESY.

Zehn der 60 Teilchenpakete aus PETRA sollen nun in HERA eingebracht werden, um den Protonenring zu optimieren. So einfach geht das jedoch nicht, denn die supraleitenden Magnete des HERA-Protonenrings sind schwer zu beherrschen: Sie brauchen eine Sonderbehandlung, bevor sie auf 0,5 Promille genau das gewünschte Magnetfeld liefern. 20 Minuten lang werden die supraleitenden Magnete deshalb noch ohne Teilchenstrahl "massiert", d.h. durch einen bestimmten Prozedurenkreislauf gefahren - dann erst können die Operateure sicher sein, dass der Protonenstrahl bei seiner "Injektion" in HERA auch wirklich die richtigen Magnetfelder vorfindet.

Nun werden die zehn Protonenpakete in HERA eingeschossen. Mit ihnen optimieren die Operateure den Beschleuniger, prüfen die Parameter des Strahls und minimieren - auch mit Hilfe der Experimente - die Strahlverluste. Dann erst wird der HERA-Protonenring komplett gefüllt - mit drei PETRA-Füllungen à 60 Teilchenpakete - und der Strahl auf seine Endenergie von 920 GeV beschleunigt. Bei maximaler Energie stellen die Operateure den Protonenstrahl beiseite; er wird wenige Millimeter nach oben gefahren, wo er ungestört weiter umlaufen kann, während die Elektronen in HERA eingebracht werden.

Auch der Elektronenstrahl durchläuft verschiedene Vorbeschleuniger - vom LINAC II über das Synchrotron DESY II zu PETRA II -, bevor er schließlich in Form von 189 Teilchenpaketen in HERAs Elektronenring eingefädelt wird. Läuft alles glatt, dauert das nur Minuten, denn die normalleitenden Magnete des Elektronenrings brauchen keine Spezialbehandlung.

In einem letzten Schritt müssen die Operateure den zeitlichen Durchlauf der Teilchen synchronisieren - es nützt schließlich wenig, wenn ein Protonenpaket am Wechselwirkungspunkt eintrifft, während sich die Elektronen ganz woanders befinden. Dazu wird der Protonenstrahl auf die Innenkurve gelenkt - er fängt an, die Elektronenpakete "einzuholen". Laufen die Pakete synchron, wird der Protonenstrahl zurück auf die Sollbahn gebracht, der Betrieb "rastet ein": An den Wechselwirkungspunkten kollidieren die Teilchen. Zunächst sind es nur wenige. Bis alle vier Experimente ideale Bedingungen vorfinden, vergeht noch etwa eine Viertelstunde des Optimierens. Die Strahlen werden nochmals verkleinert, der Betrieb auf die Bedürfnisse eines jeden Experiments abgestimmt. Hier sind Fingerspitzengefühl und Erfahrung des Operateurs gefragt und eine gute Koordination zwischen den Beschleunigerexperten und den Vertretern der Experimente. Denn HERA ist keine Maschine, die auf Knopfdruck funktioniert - man muss sie kennen und wissen, wie man das Beste aus ihr herausholt. Dementsprechend dauert es etwa zwei Jahre, bis ein Neuling alle Prozeduren beherrscht und den Beschleuniger im Griff hat.