Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

Beim Bau von Teilchenbeschleunigern werden einfache Prinzipien benutzt, wie sie zum Beispiel auch im Fernseher verwendet werden, um Teilchen auf höchste Energie zu bringen.

Der einfachste Teilchenbeschleuniger ist ein Fernseher. Dort werden die Elektronen, die das Fernsehbild auf die Mattscheibe schreiben, durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Ein elektrisches Feld herrscht zum Beispiel zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Metallplatten. Setzt man ein negativ geladenes Elektron zwischen die Platten, wird es von der positiv geladenen Platte angezogen und von der negativen abgestoßen.   

Will man ein Elektron auf höhere Energien bringen, bohrt man einfach Löcher in die Metallplatten und schaltet mehrere solcher Beschleunigungsstrecken hintereinander. Damit das Ganze funktioniert, muss man jetzt die Platten mit Hilfe einer Wechselspannung umpolen, sobald das Elektron in die nächste Beschleunigungsstrecke fliegt.

Mit einem solchen Linearbeschleuniger lassen sich nicht nur Elektronen, sondern alle geladenen Teilchen auf hohe Geschwindigkeit bringen. Also zum Beispiel auch positiv geladene Atome, so genannte Ionen. Eine Methode, Teilchen zu beschleunigen, ohne lange Linearbeschleuniger zu bauen, ist der Ringbeschleuniger.

Hier werden die geladenen Teilchen durch Magnete auf eine Kreisbahn gezwungen. Auch im Fernseher, dem Minibeschleuniger zu Hause, sind Magnete eingebaut. Sie lenken dort den Elektronenstrahl Zeile für Zeile über die Mattscheibe. Im Ringbeschleuniger durchlaufen die Teilchen die Beschleunigungsstrecke viele Tausend mal, bevor sie ihre Sollgeschwindigkeit erreicht haben. Ein Nachteil des Ringbeschleunigers ist, dass elektrisch geladene Teilchen, die sich im Kreis bewegen, Strahlung abgeben (die sogenannte „Synchrotronstrahlung“) und dadurch Energie verlieren. Auch zum bloßen Speichern eines Teilchenstrahls im Ring muss man also immer wieder etwas beschleunigen.

Die schnellen, elektrisch geladenen Teilchen schießen die Forscher dann entweder auf ein festes Ziel oder sie lassen zwei Teilchenstrahlen aufeinander prallen. In den meisten Fällen wird dabei Materie in Energie umgewandelt – ein kleiner Energieblitz entsteht. Aus diesem können sich dann innerhalb von Sekundenbruchteilen neue, exotische Partikel bilden, die die Forscher interessieren. Für beide Umwandlungen ist Einsteins Formel zuständig, die die Äquivalenz von Energie \(E\) und Masse \(m\) beschreibt:

$$E=mc^2$$

(mit der Lichtgeschwindigkeit \(c\)). Die entstandenen Partikel, die nach allen Seiten wegfliegen, werden in großen Detektoren registriert, die die Physiker um die Kollisionsstelle herum gebaut haben.

Verwenden die Forscher niedrigere Energien, wirken die beschleunigten Teilchen wie Lichtstrahlen, die in einem Mikroskop auf das zu untersuchende Objekt prallen, ohne es zu zerstören. Die von diesem Objekt gestreuten Teilchen werden dann ebenfalls in Detektoren analysiert.