„Ein Proton und ein Antiproton vernichten sich im Teilchenbeschleuniger.
… Berechnen Sie die Energie und die Wellenlänge der dabei
entstehenden Photonen!“ Diese Rechenaufgabe findet man in einem
Lehrbuch für allgemeine Physik aus dem Jahr 1994. Die grundlegenden
Vorgänge in einem Teilchenbeschleuniger sind also bekannt und zählen
längst zum Wissenstand in der Physik. Teilchenbeschleuniger gibt
es schon lange. Eines der älteren Modelle, das Zyklotron, existiert
seit den Dreißigerjahren des 20. Jahrhunderts. Es ist so konstruiert,
dass sich Teilchen auf einer spiralförmigen Bahn bewegen. Zyklotrone
werden heute zur Erzeugung von medizinisch benötigten Radionukliden
und zur Krebstherapie eingesetzt.
In einem Synchroton bewegen sich die Teilchen auf einer Kreisbahn und
erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit. Laut Einsteins Relativitätstheorie,
die hier zur Anwendung kommt, kann die Lichtgeschwindigkeit nicht überschritten
werden, dafür werden die Teilchen schwerer. Bildlich gesprochen
mutieren die kleinen Partikel bei hohem Tempo zu Pflastersteinen, und
hier liegt das erste technische Problem. Die schweren Teilchen benötigen
enorme Magnete, um in einer Kreisbahn gehalten zu werden. Das schaffen
nur tiefgekühlte supraleitende Spulen, darum muss ein leistungsstarker
Teilchenbeschleuniger tief abgekühlt werden.
Eine weitere Schwierigkeit liegt in der Natur der Kreisbahn. Alles,
was sich im Kreis bewegt, zählt zu den beschleunigten Bewegungen.
Beschleunigte elektrische Teilchen senden Strahlen aus und verlieren
dadurch Energie. Je enger die Kurve, desto größer der Energieverlust.
Man baut die Teilchenbeschleuniger daher so groß wie möglich,
um die Kurvenkrümmung klein zu halten. Der LHC bei CERN ist mit
seinen über 27 Kilometern Umfang die größte dieser Maschinen,
somit kann der Energieverlust begrenzt werden.
Das anfangs erwähnte Rechenbeispiel ergibt übrigens eine
Energie von 938 Mega-Elektronenvolt, und eine Wellenlänge der Strahlung
von 1,3 * 10-15 Metern. Diese extrem kurzwellige Strahlung ist energiereich
und gefährlich, folglich müssen die Detektoren der Teilchenbeschleuniger
von meterdicken Stahl- und Betonwänden abgeschirmt werden.
Die Frage, wozu der Bau solch teurer Monstermaschinen nötig ist,
ist übrig. Es handelt sich um Grundlagenforschung über den
Aufbau der Materie, wobei man nicht voraussagen kann, welche Ergebnisse
man bekommen wird. Andernfalls könnte man sich die Sache ja ersparen.
Die in den nächsten Jahren erzielten Resultate werden unser Wissen
über die Struktur und die Entstehung der Materie im Universum erweitern,
und das lohnt den Aufwand.
Jahresübersicht 2008
Teilchenpakete
.png)
Rudolf Oeller: