Astro-Lexikon T 1

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Tachyonen (grch. tachys: 'schnell') sind hypothetische Teilchen (engl. auch FTL particle genannt für Faster-Than-Light particle), die sich schneller bewegen können als mit Lichtgeschwindigkeit! Dies ist nach der Speziellen Relativitätstheorie nicht explizit verboten, nur das Überschreiten der Vakuumlichtgeschwindigkeit c (knapp 300 000 km/s) ist nicht möglich. Tachyonen hingegen sollen von Anfang an eine Geschwindigkeit größer als c besitzen.

Tachyonen - gefangen in einer anderen Welt?

Dies ist theoretisch dann möglich, wenn Tachyonen eine imaginäre Masse besitzen, m² < 0. Sinkt ihre Geschwindigkeit jedoch ab und wird vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit, so wächst ihre Energie gegen unendlich, so dass sie die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nie unterschreiten können. Somit dringen Tachyonen - sollten sie existieren - nie in den Bereich der Unterlichtgeschwindigkeit ein. Betrachtet man den Lichtkegel, ein übliches Raum-Zeit-Diagramm der Relativitätstheorie, so bewegen sich die Tachyonen auf raumartigen Geodäten, während sich Photonen auf lichtartigen (Nullgeodäten) und Materie auf zeitartigen Geodäten bewegen.

Tachyonen vertauschen Ursache und Wirkung

Tachyonen widersprechen dem Kausalitätsprinzip! Zwischen Ereignissen mit raumartigen Abstand kann es gemäß Einstein keinen Signalaustausch geben. Würden Tachyonen tatsächlich existieren, so wäre es möglich, dass die Wirkung zeitlich vor der Ursache käme. Das würde die Physik, im Speziellen die Thermodynamik (Stichwort: thermodynamischer Zeitpfeil auf der Grundlage des 2. Hauptsatzes), in ernst zu nehmende Schwierigkeiten bringen. Außerdem wäre eine Reihe unlösbarer Paradoxa möglich. Aus diesen Gründen wird die Existenz solcher Teilchen und die Wahrhaftigkeit von Theorien, die sie postulieren oder ableiten, von den meisten Physikern negiert.

Tachyonen in nicht-supersymmetrischen Stringtheorien

In den Stringtheorien treten Tachyonen auf, wenn man auf die Supersymmetrie zwischen Bosonen und Fermionen verzichtet. Erst die Superstringtheorie garantiert, dass keine Tachyonen involviert sind und gewährleistet die Erhaltung des wertvollen und bisher immer verifizierten Kausalitätsprinzips ('Ursache kommt vor der Wirkung'). Andererseits bieten nicht-supersymmetrische Stringtheorien interessante Phänomene, wie die Tachyonen-Kondensation. In bosonischen Stringtheorien kann ein skalares Teilchen bzw. Feld auf diese Weise einen tachyonischen Zustand annehmen.

Tachyonen verboten?

Die experimentelle Suche nach Tachyonen, nach Cerenkov-Strahlung, die bei Tachyonenabbremsung bei der Propagation durch dichte Medien erwartet wird oder das negative (!) Massenquadrat in Energiebilanzen verschiedener Reaktionen waren bisher erfolglos. Allerdings ist die Existenz von Tachyonen auch nicht vollständig widerlegt worden. Trotzdem gibt es gute Gründe (wie hier dargestellt), weshalb sie nicht existieren dürfen, ohne die Physik in eine Krise zu stürzen.

Der Tagbogen wird unter den Jahreszeiten erläutert.

Als Tardyonen bezeichnet man alle Teilchen, die langsamer sind als Photonen im gleichen Medium. Die Geschwindigkeit der Tardyonen ist damit kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit c, die etwa 300 000 km/s beträgt. Der Begriff Luxon fasst alle Teilchen zusammen, die sich mit c bewegen. Auf der 'anderen Seite der Lichtbarriere' findet man die (hypothetischen) Tachyonen.

Die kaum zu überschauende Zahl der Teilchen in der physik könnte man als 'Teilchenzoo' bezeichnen. Eine augenzwinkernde Bezeichnung, sprachlich gesehen eine Metapher ist: ebenso bunt und vielfältig wie die Fauna im Zoo ist, sind Zahl und Eigenschaften der Teilchen. Im strengeren Sinne unterscheiden Physiker Elementarteilchen, die keine weitere Substruktur haben, von zusammengesetzten Teilchen. Weiterhin gibt es zahlreiche Termini, die Teilchen unter einem bestimmten Charakteristikum zusammenfassen.

Welle und Teilchen

Die echten Elementarteilchen in der Teilchenphysik sind die Leptonen und die Quarks. Sie sind nach allem, was wir heute wissen und was das Standardmodell der Teilchenphysik aussagt, punktförmig. Diese Punktförmigkeit mag der ein oder andere Zeitgenosse mit Widerwillen zur Kenntnis nehmen; letztendlich ist sie eine Eigenschaft im Teilchenbild. Die Quantentheorie entlarvte die Teilchen als Wolf, der manchmal im Schafspelz daherkommt und manchmal nicht: der Welle-Teilchen-Dualismus besagt, dass man Teilchen auch als Welle beschreiben kann. Mit der Welle wird auch die Aussage zur Punktförmigkeit hinfällig, denn Wellen sind ausgedehnte Gebilde.

Hadronen, Mesonen, Baryonen, Nukleonen - alles nicht ohne

Der Baukasten aus elementaren Quarks und Leptonen bringt nun die Vielfalt des Teilchenzoos mit sich. Die sechs Quarks können als Bausteine für zusammengesetzte Teilchen dienen. Diese Hauptgruppe nennt man die Hadronen. Hadronen werden in Untergruppen klassifiziert: Exakt zwei Quarks setzen sich zu Mesonen zusammen. Baryonen hingegen bestehen immer aus genau drei Quarks. Die Nukleonen (Kernteilchen) sind die beiden Teilchentypen im Atomkern, Proton und Neutron (und deren Antiteilchen). Beide gehören zu den wohl bekanntesten Baryonen.
Die Mesonen werden weiter unterteilt, nach bestimmten Teilcheneigenschaften, also nach Quantenzahlen. Die bekanntesten Mesonen sind die Pionen und die Kaonen, aber es gibt noch weit exotischere Teilchen, wie charmante (die nennt man wirklich so!) Mesonen (die c-Quarks enthalten) oder seltsame Mesonen (die s-Quarks enthalten), das J/Psi-Teilchen, Charmonium, Bottomium etc.

weitere Teilcheneigenschaften

Diese Teilchen kann man durch Quantenzahlen wie Spin, Isospin, schwachen Isospin, Parität, elektrische Ladung, Farbladung, schwache Ladung, Hyperladung, Seltsamkeit etc. sehr gut voneinander unterscheiden.

Hyperonen sind seltsam

Bei den Hyperonen handelt es sich um besonders schwere, seltsame Baryonen, die demnach vollkommen neue Konstituenten aufweisen, als die gewöhnliche Materie, nämlich seltsame Quarks (s-Quarks). Daneben gibt es noch Delta-Baryonen und Bottom-Baryonen (enthalten b-Quarks).

Die drei Leptonenfamilien e, μ, τ

Lässt man von Quarkmaterie ab und wendet sich der zweiten fundamentalen Elementarteilchenklasse zu, den Leptonen, so findet man auch hier Unterklassen. Sie werden in drei Generationen unterteilt. Es handelt sich um die Elektron-, die Myon- und die Taufamilie. Die bekanntesten Leptonen sind wohl das Elektron und dessen Antiteilchen, das Positron. Daneben kennt man die Myonen, die im Prinzip 'schwere Elektronen' sind und die Tauonen (Tau-Teilchen), die noch schwerer sind. Die Trichotomie (Dreiteilung) kann mithilfe des schwachen Isospins gruppentheoretisch erklärt werden. Die drei Familien wurden auch experimentell anhand des Zerfalls des neutralen Z-Bosons mit einer 95%igen Sicherheit verifiziert. Denn das Z-Teilchen kann in ein Paar zweier Leptonen zerfallen, nämlich Lepton und Antilepton. Im Experiment wurden nur drei Zerfallskanäle gefunden: Elektron und Positron, Myon und Antimyon, Tauon und Antitauon. Das ist der wichtigste, experimentelle Nachweis für die drei Leptonengattungen.

Fast ein Nichts von Teilchen: Neutrinos

Die Neutrinos zählen ebenfalls zu den Leptonen und können in die drei Familien eingeordnet werden: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino. Zwischen diesen Familien können sie sogar wechseln und sich ineinander umwandeln, man spricht von Neutrinooszillation. Diesem Prozess unterliegen die Neutrinos, die von der Sonne kommen und im Sonneninnern als Nebenprodukt bei der thermonuklearen Fusion (genauer: pp-Kette) entstehen.

Teilchenhochzeiten

Auch Leptonen können sich paaren: Bei sehr tiefen Temperaturen finden sich in bestimmten Festkörpern, den Supraleitern, zwei Elektronen zusammen. Sie bilden einen gebundenen Zustand, den man nach einem der Pioniere der Supraleitung Cooper-Paare nennt. Der Zusammenschluss dieser zwei Fermionen ist von bosonischer Natur und ändert schlagartig die Leitungseigenschaften des Materials. Ein Analog zur Supraleitung der Elektronen ist die Supraleitung der Quarks, die so genannte Farbsupraleitung. Hier paaren sich fermionische Quarks zu bosonischen Diquarks. Bei hohen Dichten wird dieser Materiezustand relevant und wird im Zusammenhang mit Neutronensternen diskutiert. Die Zustandsgleichung der Neutronensternmaterie würde sich durch die Quarkpaarung verändern.

Kraftteilchen und Standardmodell

In den Quantenfeldtheorien kennt man die Eichbosonen, bosonische Teilchen, die die jeweilige Wechselwirkung (elektromagnetisch, gravitativ, stark, schwach) vermitteln. Dies sind

• das masselose, elektrisch neutrale Photon der QED,
• die massebehafteten, geladenen W-Bosonen und das elektrisch neutrale Z-Boson der schwachen Wechselwirkung,
• die acht masselosen, farbgeladenen Gluonen der QCD
• und das nur hypothetische, also nicht nachgewiesene Graviton der Quantengravitation (beispielsweise in den Stringtheorien).

Zusammengezählt sind das 1 + 3 + 8 + 1 = 13 Eichbosonen, von deren Existenz die Physiker ausgehen. Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es noch ein weiteres wichtiges Teilchen, das ebenfalls noch nicht experimentell verifiziert werden konnte: das Higgs-Teilchen. Es ist besonders massereich ist und daher noch nicht in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen worden. Die Teilchenphysiker hoffen mit jeder neuen Beschleunigergeneration auf die Verifikation (ab 2007: LHC am CERN). Das Higgs-Teilchen ist erforderlich, um aus masselosen Eichbosonen massebehaftete zu machen, wie im Falle der W-Teilchen und des Z-Teilchens. Das Higgs-Boson gehört wiederum zur Klasse der Nambu-Goldstone-Bosonen, die immer an einer spontanen Symmetriebrechung beteiligt sind. Die Zahl der Eichbosonen wird in den Großen Vereinheitlichten Theorien signifikant erweitert: hier leitet man weitere 12 X-Bosonen ab, die natürlich ob des immens hohen Energieregimes (E ~ 10¹⁶ GeV) weit von einem experimentellen Nachweis entfernt sind.

Nach diesem Antipasti: Antiteilchen und Antimaterie

Die Antiteilchen wurden bereits angesprochen. Zu jedem Teilchen gibt es das korrespondierende Antiteilchen mit invertierter elektrischer Ladung. Ist das Teilchen sein eigenes Anti-Teilchen nennt man es Majorana-Teilchen. Es ist möglich, die Konstituenten zusammengesetzter Teilchen ohne Ausnahme zu invertieren. Auf diese Weise kann man Antimaterie herstellen, die jedoch von der umgebenden gewöhnlichen Materie gut abgeschirmt werden muss, damit sie nicht ausschließlich in elektromagnetische Energie (Gammastrahlen) zerstrahlt. Dieser Prozess heißt Paarvernichtung oder Paarannihilation. Am CERN ist es 1995 gelungen Antiwasserstoff herzustellen: ein positiv geladenes Positron ('Antielektron') bildet ein Atom mit einem negativ geladenen Antiproton als Atomkern.

Atome & Moleküle

Dies leitet zum sicherlich bekanntesten Teilchenverbund über: dem Atom. Die Atomisten um Demokrit (460 - 371 v.Chr.) bezeichneten in der antiken Philosophie die unteilbare (grch. atomos) Einheit der Materie als Atome. Die Physik konnte erst im 20. Jahrhundert belegen, dass das, was als Atome bezeichnet wurde, keineswegs so elementar war, wie angenommen. Der Pionier war Ernest Rutherford, der 1911 in seinen Streuversuchen von α-Teilchen an Goldfolie zeigen konnte, dass Atome aus einem kleinen, dichten Atomkern und einer umgebenden Elektronenhülle bestehen. Die darauf folgende, Jahrzehnte andauernde Ausarbeitung der Quantentheorie zeigte schließlich, dass die Elektronen nicht als massive Punktteilchen den Atomkern umkreisen (Bohrsches Atommodell), sondern die Elektronen in 'Wolken' (präzise: dem Absolutquadrat der Wellenfunktion des Elektrons) um den Atomkern 'verschmiert' sind (Orbitalmodell). Miteinander verbundene Atome, die Moleküle, verdanken ihre Existenz chemischen Bindungen, die ebenfalls quantentheoretisch verstanden werden können. Die damit assoziierten Gebiete der Atom- und Molekülphysik sind das Orbital-Modell, die Hybridisierung, die Elektronenbindung, die Hartree-Fock-Theorie, die homöopolare Bindung etc.

α-, β- und γ-Teilchen

In der Radioaktivität kennt man Alpha-Teilchen, die mit dem Alpha-Zerfall assoziiert sind, Beta-Teilchen, die mit dem Beta-Zerfall zusammenhängen und Gamma-Strahlen, die bei Gamma-Zerfällen emittiert werden. Alle diese Teilchen senden radioaktive Atomkerne (Radionuklide) aus. Die Bezeichnung mit den Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabets war zunächst in der Unkenntnis begründet, um welche Teilchen es sich handele. Experimente (die die ionisierende Wirkung der Radioaktivität ausnutzen; Nebel- und Blasenkammer, Ablenkung in elektrischen/magnetischen Feldern, Massenspektrometer etc.) enthüllten die wahre Natur dieser Teilchen:

• Alpha-Teilchen sind Heliumatomkerne, also ein Verbund aus zwei Protonen und zwei Neutronen.
• Beta-Teilchen sind je nach Beta-Zerfallstyp Elektronen oder Positronen (die zur Gruppe der Leptonen gehören).
• Gamma-Strahlen sind hochenergetische, elektromagnetische Wellen oberhalb die sich an den Bereich der Röntgenstrahlung anschließen.

Bosonen, Fermionen und statistische Physik

In der statistischen Physik unterteilt man sämtliche Teilchen in zwei Gruppen: in Bosonen, Teilchen mit ganzzahligem Spin, und in Fermionen, Teilchen mit halbzahligem Spin. Das Unterscheidungskriterium ist also der Spin. Das Spin-Statistik-Theorem grenzt beide Teilchengruppen scharf voneinander ab (identische versus unterscheidbare Teilchen) und postuliert eine jeweils adäquate quantentheoretische Beschreibung. Die Konsequenzen für die Struktur der Materie sind beträchtlich und von fundamentaler Bedeutung für die Physik und den Aufbau der Materie (Periodensystem der Elemente, Bose-Einstein-Kondensate, Quantengase, BCS-Supraleitung, Farbsupraleitung, Stabilität kompakter Objekte durch fermionischen Entartungsdruck uvm.).

Quanten

In der Quantentheorie hat man auch den Quanten bestimmte Namen gegebenen und so Teilchengruppen definiert: die Photonen wurden bereits besprochen und sind die Quanten des elektromagnetischen Feldes. Der Quantisierungsapparat anderer Wechselwirkungen führt auch auf weitere Quantentypen: Die Phononen sind die Schwingungsquanten des Kristallsgitters in der Festkörperphysik. Die Magnonen sind die Quanten im Ferromagneten. Fluxonen bezeichnen die Flussquanten des magnetischen Flusses in der Theorie der Supraleitung. Vibronen sind allgemeine, quantisierte Schwingungsfreiheitsgrade, während Rotonen quantisierte Rotationsfreiheitsgrade bezeichnet. Beides wird in der Molekülphysik angewendet, wo ein Molekül seinen Energiezustand durch Austausch (Emission oder Absorption) dieser Quanten ändern kann. Im Prinzip wird jedoch beim banalen Anstoßen eines Fadenpendels eine Vielzahl von Vibronen erzeugt, die das Pendel in einen angeregten Schwingungszustand bringen.

kosmologische Teilchen

In der Kosmologie hat man ebenfalls Teilchennamen für Felder eingeführt. Quantentheoretisch betrachtet macht es keinen Sinn, zwischen Teilchen und Feld zu unterscheiden, weil sie 'zwei Seiten derselben Medaille sind'. Einen Grundstein dazu legte der Welle-Teilchen-Dualismus.
So wird die Inflation mit dem Inflaton verknüpft; ein Skalarfeld in der Theorie der Quintessenzen wird mit dem Cosmon identifiziert und die Dunkle Energie bzw. die kosmologische Konstante wird mit dem Radion in Verbindung gebracht.

WIMPs

Als WIMPs bezeichnet man alle Teilchen, die - wie die Leptonen auch - nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen, aber eine relativ große Masse tragen. Sie sind Kandidaten für die nicht baryonische Dunkle Materie im Universum. Neutrinos gehören nicht zu den WIMPs, weil sie zu leicht sind.

Teilchen als Fäden oder Flächen

Eine Erweiterung des Teilchenbegriffs wurde durch die Stringtheorien etabliert. Sämtliche Teilchen, aber auch andere Objekte, werden hier als schwingfähige Gebilde angesehen. Im eindimensionalen Fall heißen sie Strings, im zweidimensionalen Fall sind es die Membranen, kurz Bran genannt und im allgemeinen Fall nennt man sie p-Bran mit der Dimension p. Verschiedene Teilchen werden dadurch generiert, dass unterschiedliche Schwingungszustände der p-Branen vorliegen: ein Oberton ist gewissermaßen ein neues Teilchen. Ob sich die Stringtheorien bzw. ihr übergeordnetes Konstrukt, die M-Theorie, als leistungsfähige Alternative zur konservativen Teilchenphysik entpuppt, muss noch gezeigt werden. Nach wie vor gelten die Stringtheorien als Schlüssel, um eine Quantengravitation, eine Theorie der Gravitation der starken Felder und kleinen Raumzeit-Skalen, zu formulieren. Mittlerweile hat sie in Form der Loop-Quantengravitation eine konkurrierende Theorie bekommen.

Geschwindigkeit als Kriterium zur Teilchenklassifikation

Eine Teilchenklassifikation anhand ihrer Geschwindigkeit v relativ zur Lichtgeschwindigkeit c im gleichen optischen Medium wurde auch unternommen. Hier kennt man die Tardyonen mit v kleiner c, die Luxonen mit v gleich c und die Tachyonen mit v größer c. Das Auftreten von Tachyonen würde gegen das Prinzip der Kausalität (Reihenfolge von Ursache und Wirkung) verstoßen (aber nicht gegen die Spezielle Relativitätstheorie!), daher versuchen Physiker tachyonische Theorien zu vermeiden.

supersymmetrische Teilchen

Als ob dieses Sammelsurium an Teilchen nicht schon genug wäre, denken sich die Physiker in der Supersymmetrie (SUSY) neue Teilchen aus: die SUSY-Teilchen. In einer wohl definierten Nomenklatur tauchen hier supersymmetrische Partner zu etablierten Teilchen auf: so spricht man beispielsweise von Squarks, Neutralinos und Higgsinos. Bislang wurde keines dieser SUSY-Teilchen experimentell entdeckt. Daher handelt es sich bei der SUSY bisher nur um eine zusätzliche Theorie, die sich erst noch bewähren muss.

Übung

Sie haben nun eine Reihe von Teilchen kennen gelernt, häufig charakterisiert durch das Suffix -onen, z.B. Hadronen, Bosonen, Photonen, Gluonen, Tachyonen, Selektronen, Tauonen und Cosmonen. Klären Sie in Abgrenzung dazu die Begriffe Schoschonen, Kronen und Verschonen.

Ein Teilchenbeschleuniger ist eine große Anlage zur Erforschung der Hochenergie- und Teilchenphysik. In dieser Forschungsanlage werden geladene Teilchen (Ionen) auf hohe Geschwindigkeiten mittels elektrischer und magnetischer Felder beschleunigt. Ist eine geeignete Geschwindigkeit erreicht, wird mit den Teilchen ein Ziel beschossen. In diesem Zusammenstoß entsteht eine Vielzahl neuer Teilchen, die mit diversen Messgeräten detektiert werden. Aus der Untersuchung dieser Teilchenreaktionen folgern die Physiker, welche Teilchen am Zusammenstoß beteiligt waren, wie sie sich umgewandelt und welche Kräfte gewirkt haben.

relativistische Effekte

Die Teilchengeschwindigkeiten sind so hoch, nämlich nahe an der Vakuumlichtgeschwindigkeit von rund 300000 km/s, dass die Effekte der Speziellen Relativitätstheorie berücksichtigt werden müssen: Zeitdilatation und Lorentz-Kontraktion sind tägliches Geschäft der Hochenergiephysiker. Die Längenkontraktion äußert sich darin, dass schwere Ionen, die viele Nukleonen enthalten, in Bewegungsrichtung kontrahiert sind: sie haben dann keine Kugelgestalt mehr, sondern ähneln im Laborsystem eher einem Pfannkuchen! (siehe Abbildung unter Lorentz-Kontraktion)

Felder steuern Teilchenbahnen

Zur Beschleunigung und Führung der Teilchenstrahlen (engl. Fachbegriff beam) benutzen die Experimentatoren elektrische und magnetische Felder. Aus diesem Grund müssen die Teilchen im Strahl geladen, also ionisiert (Fachbegriff: stripped), sein. Die Lorentz-Kraft F = q(E + v × B) mit der elektrischen Ladung q, dem Vektor des elektrischen Feldes E, dem Vektor des magnetischen Feldes B und dem Vektor der Teilchengeschwindigkeit v (hier in nicht-relativistischer Formulierung) sorgt - bei richtiger Orientierung der Felder - im Wesentlichen im ersten Term für die Beschleunigung in Bewegungsrichtung und im zweiten Term für die Ablenkung, also die Führung der Teilchenstrahlen. Magnetische Dipolfelder nutzt man zur Ablenkung des Strahls, während magnetische Quadrupolfelder für dessen Fokussierung sorgen. Ohne Ladung der beschleunigten Spezies verschwinden die Lorentz-Kräfte und weder Führung noch Beschleunigung wären möglich.

Wozu schnelle Teilchen?

Der Sinn von Teilchenbeschleunigern ist es, Teilchen auf hohe kinetische Energien zu beschleunigen und in einer finalen Kollision mit einem Ziel neue Teilchen freizusetzen. Je größer die kinetischen Energien der Teilchenstrahlen, umso komplexere Teilchenschauer (Sekundärteilchen) können die Experimentatoren im Kollisionsereignis erzeugen, in der Regel entstehen dabei völlig neue Teilchenspezies.
Man kann sagen, dass Teilchenbeschleuniger die modernste Form eines Mikroskops ist. Weil die Längenskala deutlich kleiner ist und in den subatomaren Bereich hinein geht. Die charakteristische Skala liegt im Bereich von Femtometern (10^-13 cm), daher könnte man Teilchenbeschleuniger 'Femtoskope' nennen. Mit Teilchenbeschleunigern kann man die Vielfalt der Teilchen, den 'Teilchenzoo', experimentell untersuchen.

Aufbau eines Teilchenbeschleunigers

Teilchenbeschleuniger sind im Prinzip lange, evakuierte Röhren (Fachbegriff: Kavitäten), in denen sich Teilchenstrahlen ausbreiten. Ohne Vakuum wäre die Beschleunigung durch vorzeitige Kollisionen nicht möglich. Die Physiker benutzen zwei Methoden, um Teilchen miteinander kollidieren zu lassen: Der Experimentator schießt entweder die Teilchenbündel auf ein statisches Ziel (engl. target); oder benutzt eine spezielle Bauweise von Teilchenbeschleunigern, den Collider, in dem er zwei Teilchenbündel separat beschleunigt und sie schließlich auf Kollisionskurs bringt. Collider haben den Vorteil, dass die Schwerpunktsenergie (engl. center-of-mass energy, kurz com energy) deutlich größer ist, weil sich die kinetischen Energien beider Teilchenbündel addieren.
Es gibt inzwischen diverse Beschleunigerarchitekturen mit unterschiedlichen Größen, Geometrien, Effizienzen und Kosten. Die ersten Beschleuniger waren Linearbeschleuniger (engl. linear accelerator, kurz LINAC), bei denen die Beschleunigungsstrecke eine Gerade ist. In Kreisbeschleunigern (Zyklotron), Synchrozyklotron und Synchrotron sind die Beschleunigungsstrecken gekrümmt (Spiral- oder Kreisbahn). Der Vorteil ist die mehrfache Beschleunigung des Beams in mehrfachen Umläufen; der Nachteil ist die Ablenkung des Beams aus der Sollbahn durch Zentrifugalkräfte. Dies gleichen die Physiker mit (immer stärker werdenden) magnetischen Führungsfeldern aus.

CERN - Die bekannteste Teilchenbeschleunigeranlage der Welt

Das Akronym CERN steht für Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, was im Deutschen Europäische Organisation für Kernforschung genannt wird (wörtlich übersetzt eigentlich: Europäischer Rat für Kernforschung). CERN ist das größte und bekannteste Teilchenphysiklabor der Welt. Es wurde bereits 1954 gegründet, hat derzeit 20 Mitgliedstaaten und beschäftigt knapp 3000 Menschen der unterschiedlichsten Berufe. Am CERN wurde 1989 das Internet von Tim Berners-Lee erfunden!
Moderne Teilchenbeschleunigungsanlagen wie CERN sind große Komplexe, die aus vielen LINACs und Synchrotrons bestehen. Mit Spannung erwarten die Forscher und die Weltöffentlichkeit die Fertigstellung des neuen Beschleunigers namens Large Hadron Collider (LHC) Ende 2007. Aufregend wird die Inbetriebnahme des LHC in jedem Fall werden, wie die unten genannten, brisanten Forschungsthemen nahe legen. Neben den Ionenkollisionsexperimenten produziert man CERN auch

• Neutronenstrahlen zur Strukturanalyse,
• Neutrinostrahlen, die durch das Gran-Sasso-Massiv bis nach Rom geschossen werden, um dort mit Neutrinodetektionsexperimenten den Strahl zu untersuchen (Stichwort: Neutrino-Oszillation)
• Antiprotonenstrahlen, die auf so genannten Dezelerationsstrecken abgebremst werden, um Antiwasserstoffatome, eine Form von Antimaterie, herzustellen.
• uvm.

Teilchenstrahlen

Gemäß der Teilchenspezies, die beschleunigt werden, kann man leptonische Beschleuniger und hadronische Beschleuniger unterscheiden. Leptonische Teilchenbündel bestehen vornehmlich aus Elektronen und Positronen (die Antiteilchen der Elektronen), während hadronische Teilchenspezies in der Regel schwere Ionen (typischerweise gestripptes Gold oder Blei) sind.

Erforschung fundamentaler Naturkräfte

Teilchenbeschleuniger sind die Laboratorien der Hochenergiephysik und sind diejenige experimentelle Anordnung, um die vier fundamentalen Wechselwirkungen der Physik, nämlich schwache Wechselwirkung, starke Wechselwirkung, elektromagnetische und gravitative Wechselwirkung zu studieren. Die Quantenfeldtheorien machen viele Aussagen, die in Teilchenbeschleunigern verifiziert oder falsifiziert werden können. Das Unifikationsbestreben bei hohen Energien wurde erfolgreich bei der elektroschwachen Theorie und den Großen Vereinheitlichten Theorien umgesetzt. Die Entdeckung des Z-Teilchens 1973 am CERN durch Donald Perkins und Kollegen war eine wissenschaftliche Sensation, wurde es doch von den Theoretikern Weinberg, Salam und Glashow prognostiziert (Nobelpreis 1979). Erst zehn Jahre nach der Entdeckung des Z-Teilchens, 1983, wurden schließlich auch die beiden W-Teilchen am CERN entdeckt: Am Synchrotron schossen Carlo Rubbia und Simon Van der Meer Protonen auf Antiprotonen und entdeckten die verbleibenden 'Weakonen'.

Brisante Forschungsthemen

Die wichtigsten Forschungsgebiete der Hochenergiephysik haben auch astrophysikalische Relevanz, weil der Kosmos auf natürliche Weise die höchsten Energien produziert (siehe z.B. kosmische Strahlung, Blazare oder Big Bang).
Eine wichtige Entdeckung steht im Rahmen des Standardmodells noch aus: die Hochenergiephysiker versuchen das Higgs-Boson zu entdecken. Die Teilchenbeschleuniger der neusten Generation sind an der kritischen Energieschwelle, um dieses schwere Teilchen produzieren zu können. Hier entbrennt ein Wettlauf zwischen den Forschern der USA (Fermilab) und Europa (CERN). Das Higgs-Teilchen erklärt Vorgänge im frühen Universum. Im Higgs-Mechanismus werden die Teilchen mit Masse ausstattet.
Fieberhaft wird auch nach experimentellen Signaturen der Supersymmetrie gesucht. Bisher konnte keines der geforderten SUSY-Teilchen in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden. Dieser Aspekt ist auch von großem Interesse für Kosmologen, weil diese Teilchen eventuell zur Dunklen Materie im Kosmos beitragen.
Ein anderes Forschungsgebiet befasst sich mit dem intensiven Studium des Quark-Gluonen-Plasmas (QGP). Mittlerweile konnte dieser Zustand aus freien Quarks und Gluonen im Experiment hergestellt werden. Dieses Forschungsthema interessiert Astrophysiker hinsichtlich der Frage nach der Zustandsgleichung der Materie in Neutronensternen und Quarksternen.
In den hochenergetischen Stößen versuchen die Physiker auch Quanteneffekten der Gravitation auf die Spur zu kommen. Teilchenbeschleuniger erweisen sich als Testlaboratorien für die Vorstellungen, die auf Modellen der Quantengravitationen beruhen. Die Stringtheorien mit ihren Extradimensionen können getestet, die Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie ausgelotet und die Anregung von Gravitonen überprüft werden. Sollte die Planck-Skala tatsächlich durch vorhandene Extradimensionen reduziert werden, so kann die so genannte TeV-Quantengravitation bereits mit den neusten Teilchenbeschleunigern untersucht werden.
Für die Kosmologie hat die Beschleunigerphysik auch insofern eine Bedeutung, weil vergleichbare physikalische Zustände wie im Urknall im Teilchenphysiklabor erzeugt werden könnten. Die Hoffnung ist, dass mit immer besseren Beschleunigern immer höhere Schwerpunktsenergien bzw. Energiedichten produziert werden können, um sich stufenweise diesem Bereich zu nähern. Dabei könnten zukünftig möglicherweise Leptoquarks und X-Kraft im GUT-Regime studiert werden.
Eine besonders faszinierende Aussicht ist, dass in besonders energiereichen Kollisionen Schwarze Löcher im irdischen Labor hergestellt werden könnten. Bei Richtigkeit des TeV-Quantengravitationsszenarios stehen wir auch hier an der Schwelle, um den Traum von der Laborphysik mit Schwarzen Löchern wahr werden zu lassen. Quantitative Überlegungen vieler Hochenergiephysiker zeigen, dass sie keine Gefahr für die Erde darstellen würden, weil sie um ein Vielfaches kleiner sind als die kosmischen Schwarzen Löcher. Die meisten Wissenschaftler sind sich einig darüber, dass solche Mini-Löcher auf extrem kurzen Zeitskalen (fm/c) durch die Emission von Hawking-Strahlung verdampfen müssen. Eventuell gelingt der Nachweis dieser noch hypothetischen Strahlungsform in Teilchenbeschleunigern. Weitere Einzelheiten zu diesem Thema gibt es in einem Web-Artikel unter Schwarze Löcher in Teilchenbeschleunigern.

Websites der bekanntesten, internationalen und deutschen Teilchenbeschleunigeranlagen

• CERN in der Schweiz,
• FERMILAB, Fermi National Accelerator Laboratory (USA),
• RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider (USA),
• DESY, Deutsches Elektronen Synchrotron, in Hamburg und Zeuthen,
• GSI, Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt,
• Max-Planck-Institut für Physik in München,
• Forschungszentrum Karlsruhe,
• Forschungszentrum Jülich.

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© Andreas Müller, August 2007

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