Das Kühlersynchrotron COSY

Als Bausteine des Atomkerns halten Hadronen die Welt zusammen: Die starke Wechselwirkung zwischen ihnen sorgt dafür, dass Materie so beschaffen ist, wie wir sie kennen. Wer diese subatomaren Vorgänge studieren will, braucht ein besonderes „Hadronen-Mikroskop“ – zum Beispiel das Kühlersynchrotron COSY beim Forschungszentrum Jülich, es ist weltweit einzigartig.

Lichtstrahlen, die von den Gegenständen in unserem Gesichtskreis reflektiert werden und die Netzhaut erreichen, informieren uns über unsere alltägliche Umgebung. Durch die Linsen einer Lupe oder eines Lichtmikroskops erschließen sie uns auch die sonst unsichtbare Welt bis hinunter etwa auf das Niveau einer Zelle. Wer noch weiter vordringen will in die Welt des Allerkleinsten, muss jedoch auf andere Strahlen als sichtbares Licht zurückgreifen, und zwar solche mit einer viel kürzeren Wellenlänge. Denn je kürzer diese Wellenlänge, desto höher die Auflösung eines Mikroskops. Darum lässt sich mit den vergleichsweise langen Lichtwellen nichts über Atome und ihre innere Struktur in Erfahrung bringen.

Der britische Physiker Ernest Rutherford nutzte 1911 nicht Licht-, sondern Teilchenstrahlen für seine Experimente – und machte eine erstaunliche Entdeckung über den Aufbau des Atoms. Er beschoss eine Goldfolie mit Alphastrahlung, also positiv geladenen Heliumkernen. Die meisten Teilchen passierten die Folie ungehindert, ein kleinerer Teil jedoch änderte drastisch die Richtung und wurde unter großen Winkeln von der Flugbahn abgelenkt. Rutherford schloss: Die Atome in der Folie sind keine Kugeln gleichmäßiger Dichte, sondern bestehen zum größten Teil aus leerem Raum, den die Alphateilchen ungehindert durchfliegen. Die Masse der Atome ist fast vollständig in einem winzigen Teil, dem Atomkern, konzentriert. Nur die Teilchen, die auf solch einen Atomkern treffen, werden aus der Bahn geworfen. 

In heutigen Teilchenbeschleunigern führen die Physiker Experimente nach dem gleichen Prinzip durch: Sie beschießen ein Ziel, das Target, mit unterschiedlichen Partikeln und analysieren die Produkte aus dieser Teilchen-Kollision mit bestimmten Detektoren. So erfahren sie etwas über die Strukturen und Kräfte im Innern des Atomkerns. Ein Beschleuniger ist demnach nichts anderes als ein Mikroskop für sehr kleine Strukturen. Die Geschosse, die in ihm auf sehr hohe Energien beschleunigt werden und dann auf das Target prallen, entsprechen den Lichtstrahlen, die in einem Lichtmikroskop ein Objekt beleuchten. Wie kann das sein? Gemäß der Quantenmechanik sind Teilchengeschosse mit einer bestimmten Energie gleichzeitig auch Wellen mit einer bestimmten Wellenlänge. Je höher die Energie, desto kleiner die Wellenlänge. Und wie bei jedem Mikroskop gilt: Je kleiner die Wellenlänge, desto höher die Auflösung. Im Rutherford-Versuch war die Wellenlänge der Alphastrahlung ausreichend klein, um den Atomkern zu „erkennen“. Die im Jülicher Kühlersynchrotron COSY beschleunigten Protonen haben gerade die richtige Wellenlänge, um die Bestandteile des Atomkerns zu „sehen“: Das sind die Protonen und Neutronen, die beiden wichtigsten Hadronen.

Deren innere Struktur lässt sich, wenn auch etwas verschwommen, ebenfalls mit COSY erkennen. Hochenergiebeschleuniger dagegen, etwa am CERN bei Genf oder bei DESY in Hamburg, beschleunigen Geschosse auf noch größere Energien (kleinere Wellenlängen). Hier können die Physiker sehr deutlich den Aufbau der Kernbestandteile aus Quarks und Gluonen nachweisen. In den räumlichen Dimensionen, in die man mit COSY vordringen kann, treten sehr faszinierende Probleme auf. Doch nicht allein die Geschossenergie entscheidet darüber, wie informativ ein Bild im „Hadronen-Mikroskop“ ist, denn es kommt auch auf die Qualität des Strahls an. Und da hat COSY einiges zu bieten. Denn mit ihm können über ein weites Spektrum des so genannten mittleren Energiebereichs besonders gut definierte, also sehr „scharfe“ Teilchenstrahlen erzeugt werden. Das ermöglicht hochpräzise Messungen.

Wo alles anfängt

Am Beginn steht die Herstellung geeigneter Teilchen. Geladen müssen sie sein, denn nur dann lassen sich sie sich mit elektromagnetischen Feldern beeinflussen und auf die gewünschte Energie beschleunigen. „Am COSY können wir je nach Bedarf eine ganze Kollektion von Ionen aus Wasserstoff herstellen“, erläutert Prof. Rudolf Maier, Direktor am Institut für Kernphysik des Forschungszentrums Jülich. „Es gibt hier Ionenquellen für negative Wasserstoffionen (H-) und ihr Pendant, die Ionen des schweren Wasserstoffs (D-), außerdem für eine besondere Spezialität: polarisierte H-- und D--Ionen.“ Letztere wurden so manipuliert, dass der Drall des Atomkerns immer in dieselbe Richtung zeigt, vergleichbar mit den Wellen des polarisierten Lichtes, das nur eine Schwingungsrichtung hat. Der Vorteil: Je weniger unterschiedliche Eigenschaften die Geschosse in ein Experiment einbringen, desto einfacher lassen sich die Ergebnisse interpretieren.

Doch erst einmal müssen die Teilchen auf die nötige Geschwindigkeit gebracht werden. Hier gilt wie beim Bobfahren: Ohne einen kräftigen Anschieber ist das Rennen auf einer noch so schnellen Bahn nicht zu machen. Die Aufgabe übernimmt am COSY der älteste Mitwirkende, das Zyklotron „JULIC“. JULIC wurde schon seit 1969 als selbstständiger Teilchenbeschleuniger benutzt. Für seinen neuen Job wurde es gründlich umgebaut und bringt, seit COSY 1993 in Betrieb ging, die Wasserstoffionen auf die nötige Startenergie von bis zu 45 Millionen Elektronenvolt (MeV für „Megaelektronenvolt“) – ihre Geschwindigkeit beträgt dann etwa ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit (siehe Infokasten).

Die Teilchenrennbahn COSY

Vom Vorbeschleuniger JULIC führt ein hundert Meter langes Rohr zur eigentlichen Teilchenrennbahn. Doch bevor die Teilchen hier an den Start gehen, fliegen sie durch eine dünne Kohlenstoff-Folie und verlieren dabei ihre beiden Elektronen. Aus den negativ geladenen Ionen sind bei diesem „Strip“ nun positiv geladene Wasserstoffionen, also Protonen (H+) oder Deuteronen (D+), geworden. Sie kreisen in einem Oval, das aus zwei je 52 Meter langen Halbkreisen besteht, die durch zwei 40 Meter lange gerade Abschnitte verbunden sind. Vom Teilchenstrahl abgesehen herrscht im Inneren dieser Röhre gähnende Leere. 260 Vakuumpumpen sorgen dafür, dass nur ganz selten ein Gasmolekül dem Protonenrennen in die Quere kommt. Der Druck beträgt weniger als \(10^{-9}\) Millibar. Anders ausgedrückt: Es gibt hier so wenige Luftmoleküle, dass umlaufende Protonen viele Tage ohne Kollision kreisen könnten.

24 Dipolmagnete – jeder einzelne 27 Tonnen schwer – halten die Teilchen auf Kurs. Jeder von ihnen „knickt“ den Strahl um 15 Grad, sodass sich insgesamt ein geschlossener Kreis von 360 Grad ergibt. Außerdem besitzt COSY 56 Quadrupole, also Vorrichtungen mit vier Magnetpolen, die den Strahl bündeln. Elektrische Felder beschleunigen die Protonen: Bei jeder Runde erhalten die Teilchen dabei einen neuen „Schubs“. Dadurch werden sie nicht nur schneller, sondern, wie es Einsteins Masse-Energie-Beziehung entspricht, mit zunehmender Geschwindigkeit auch immer schwerer. Mit diesen sich ändernden Verhältnissen muss der Zeitpunkt, zu dem „geschubst“ wird, ständig synchronisiert werden – daher stammt die Bezeichnung Synchrotron.

Protonen gut gekühlt

In eineinhalb Sekunden erreichen die Protonen so 97 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, das entspricht 2,8 Milliarden Elektronenvolt (GeV für „Gigaelektronenvolt“). Bei diesem Tempo könnten sie in einer Sekunde sechs Mal um die Erde fliegen. Doch stattdessen bleiben sie brav im Beschleunigerring und müssen sich gefallen lassen, dass sie unentwegt zur Ordnung gerufen werden. Denn es kommt nicht nur darauf an, schnell zu sein, sondern auch darauf, möglichst cool zu bleiben. „Cool“ oder „kühl“ bedeutet für den Physiker „geordnet“. Die Protonen sollen also einen möglichst gleichförmigen Strahl bilden, in dem kein Teilchen aus der Reihe tanzt. Und da die „Coolness“ für hochpräzise Experimente so wichtig ist, ging auch dieser Aspekt in den Namen des Kühlersynchrotrons ein. COSY steht in diesem Fall also nicht – wie die englische Übersetzung nahe legt – für „behaglich“ oder „gemütlich“, sondern für „kühl und synchron“ (COoler SYnchrotron).

Zwei unterschiedliche Ordnungshüter sorgen für den erwünschten Gleichschritt. Bei der Elektronenkühlung schicken die Physiker auf einer kurzen Teilstrecke einen hochgeordneten Elektronenstrahl mit ins Rennen. Die leichten Elektronen lassen sich sehr viel einfacher zu einem gleichmäßigen Strahl bündeln als Protonen. Mithilfe eines Magnetfeldes werden die negativ geladenen Teilchen in den Protonenstrahl eingeschleust. Sie übertragen ihr diszipliniertes Verhalten auf die Protonen und werden schon nach zwei Metern gemeinsamen Weges wieder ausgekoppelt. In jeder Runde wiederholt sich dieser Vorgang, bei einem Start-Tempo von einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit etwa 500.000-mal pro Sekunde. Doch das Verfahren stößt an Grenzen: Da Protonen etwa 2000-mal schwerer sind als Elektronen, müssen die Elektronen etwa 1/2000 der Protonenenergie haben, um die schweren Teilchen zu „kühlen“. Die notwendige Hochspannung für die Elektronen lässt sich aber nicht beliebig steigern: Maximal 300 Kilovolt (kV) wurden bisher erreicht. „Das Hauptproblem ist, solche energiereichen Elektronenstrahlen kontinuierlich zu erzeugen“, erklärt Rudolf Maier. „Diese große Energie ist nicht einfach zu beherrschen. Sollte der Elektronenstrahl auf die Vakuumwand treffen, gäbe es ein Loch im Strahlrohr.“ Das allerdings kann nicht passieren: Die Maschine würde sich vorher selbst abschalten.

Bei hoher Protonenenergie sorgt daher ein anderes Verfahren für Zucht und Ordnung im Teilchenstrahl – die stochastische Kühlung. Für eine kleine Teilmenge der vorbeisausenden Protonen misst ein Signalnehmer an einer Stelle des Rings, wie groß die Differenz vom Sollwert ist. Daraus errechnet sich ein notwendiges Korrektursignal, das an der gegenüberliegenden Seite des Rings dieser Abweichung entgegenwirkt: Mit einem sehr kurzen elektrischen „Kick“ wird die umlaufende Teilmenge hier wieder auf die richtige Bahn gebracht. Dieser Vorgang wird kontinuierlich sozusagen für alle Teilmengen wiederholt. „Man hat lange nicht geglaubt, dass das funktionieren könnte“, erinnert sich Rudolf Maier.

Hadronen unterm Mikroskop

COSY ist einer der wenigen Beschleuniger im mittleren Energiebereich, die über beide Strahlkühlverfahren verfügen. Die so erzeugten Präzisionsstrahlen können in zwei prinzipiell unterschiedlichen Versuchsanordnungen genutzt werden. Für externe Experimente wird der Strahl aus der „Rennbahn“ abgezweigt. Sein Ziel findet er dann in Messinstrumenten außerhalb des Speicherrings, etwa im Spektrometer „Big Karl“ oder im Flugzeitspektrometer TOF. Der Strahl trifft hier auf besonders kleine Behälter mit Zielatomen, beispielsweise flüssigem Wasserstoff. Die umgebenden Messgeräte registrieren, welche Produkte beim Zusammenstoß entstehen, in welchem Winkel sie auseinander fliegen, nach welcher Flugstrecke sie zerfallen und welche Geschwindigkeit sie haben. Eine weitere Besonderheit von COSY sind die sogenannten internen Experimente. Sie tragen so hübsche Namen wie ANKE oder EDDA. Hier wird das Target direkt im ovalen Speicherring dem Protonenstrahl in den Weg gestellt. Der Vorteil: Es können sehr dünne Zielobjekte benutzt werden. Dazu gehören Folien aus Gold oder Kohlenstoff, die nur wenige millionstel Gramm pro Quadratzentimeter wiegen und winzige Tröpfchen oder „Nebelstrahlen“ aus gefrorenem Wasserstoff. Zwar kommt es bei so hauchdünnen Zielobjekten nur relativ selten zu einem Zusammenstoß zwischen den Strahlprotonen und den Atomkernen des untersuchten Targets. Da der Strahl jedoch im COSY-Ring kreist, hat jedes Proton eine Million Mal pro Sekunde eine neue Chance. Die erzielten Treffer bei den internen Experimenten können die Physiker besonders gut analysieren, weil hier wenig Störungen durch umgebende Atome, Targetbehälter und ähnliches „Sperrgut“ auftreten. So können sie mit diesen Versuchsanordnungen auch relativ seltene Ereignisse gut beobachten, beispielsweise Entstehung und Zerfall von Mesonen, einer bestimmten Klasse von Hadronen.

Der Jülicher Teilchenbeschleuniger COSY ist demnach ein hochpräzises Mikroskop, das den Physikern eine besonders interessante Größenordnung erschließt: Sie können direkt die Protonen und Neutronen im Atomkern beobachten. Die Kräfte, die zwischen diesen Hadronen wirken, halten den Kern – und damit letztlich die uns bekannte Welt – im Innersten zusammen.

Alles Elektronenvolt

Die Physiker kennen viele Energieeinheiten, beispielsweise das Joule (J), die Kalorie (cal) oder das Elektronenvolt (eV). Letztere benutzen Atom-, Kern- und Teilchenphysiker bevorzugt. Denn: Ein Elektronenvolt entspricht der Energie, die das einfach negativ geladene Elektron aufnimmt, wenn es eine Spannungsdifferenz von einem Volt durchlaufen hat. Auch im Jülicher Beschleuniger COSY werden geladene Teilchen durch Spannungsdifferenzen angetrieben und auf eine kinetische Energie von bis zu 2,8 Milliarden Elektronenvolt (= Gigaelektronenvolt) beschleunigt. In Hochenergiebeschleunigern erreichen die Teilchen sogar mehrere hundert Gigaelektronenvolt (GeV).

Entsprechend der berühmten Einstein-Formel, nach der Energie und Masse äquivalent sind, \(E=mc^2\), geben die Teilchenphysiker auch die Masse von Teilchen in Energieeinheiten (Elektronenvolt) dividiert durch \(c^2\), und nicht in Kilogramm an. Dabei ist \(c\) die Lichtgeschwindigkeit (etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde). Das führt zu sehr viel „handlicheren“ Zahlen. So haben Proton und Neutron beispielsweise eine Ruhemasse von etwa \(939\,\mathrm{MeV/c^2}\), das entspricht \(1,67\times 10^{-27}\) Kilogramm. Ein „MeV“ ist ein Megaelektronenvolt, also eine Million Elektronenvolt. Das Elektron ist fast 2000-mal leichter (Ruhemasse = \(0,511\,\mathrm{MeV/c^2}\)). Die Ruhemassen der Teilchen, die bei COSY-Reaktionen entstehen, sind:

Pi-Meson: \(138\,\mathrm{MeV/c^2}\),

Kaon: \(496\,\mathrm{MeV/c^2}\),

\(\eta\) (Eta): \(547\,\mathrm{MeV/c^2}\),

\(\eta\prime\) (Eta Strich): \(958\,\mathrm{MeV/c^2}\), 

\(\lambda\) (Lambda): \(1116\,\mathrm{MeV/c^2}\),

\(\sigma\) (Sigma): \(1196\,\mathrm{MeV/c^2}\).