Teilchenbeschleuniger – Schlüssel zum Mikrokosmos

Ob lang oder kurz, geradeaus oder krumm – für jedes Experiment und verschiedene Verwendungszwecke gibt es passende Beschleuniger.

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, \(E = mc^2\), 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 der vergangenen Jahrzehnte 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. Im November 2009 lieferte der derzeit leistungsstärkste Beschleuniger der Welt, der Proton-Proton-Collider Large Hadron Collider LHC bei CERN, seine ersten Teilchenkollisionen. Diese Anlagen (siehe Tabelle) ergänzen sich in ihren Möglichkeiten.

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.

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 Jahrzehnten konnte sie durch die Entwicklung supraleitender Beschleunigermagnete enorm gesteigert werden. So erreichten die Teilchen in den Protonen-Synchrotronen Tevatron und HERA bereits Energien von über 900 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV). Das heute leistungsstärkste Protonen-Synchrotron ist der LHC, in dem die Protonen auf eine Energie von 7000 GeV (7 TeV) beschleunigt werden. Dies entspricht einer Beschleunigungsspannung von 7000 Milliarden Volt, also weit mehr als dem Millionenfachen der Spannung einer Überlandleitung.

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 Kilometern 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.

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 oder kleiner, 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 ist im Herbst 2008 der Large Hadron Collider LHC angelaufen, der im ehemaligen LEP-Tunnel aufgebaut wurde und zwei gegenläufige Protonenstrahlen auf jeweils 7000 GeV beschleunigt. Die supraleitenden Magnete werden mit supraflüssigem Helium gekühlt und erreichen Felder, die fünfzig Prozent stärker sind als diejenigen bei HERA.

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 hundert Gigaelektronenvolt 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 dreißig Kilometern und soll eine Gesamtenergie von bis zu tausend Gigaelektronenvolt 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 vierzig 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 FLASH hat im Jahr 2005 bei DESY den Nutzerbetrieb aufgenommen. Die Inbetriebnahme des in Hamburg und Schleswig-Holstein im Bau befindlichen, 3,4 Kilometer langen Röntgenlasers European XFEL ist für 2014 vorgesehen.

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