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.