Beschleuniger Teilchen umgeben uns überall Teilchen in Ruhe sind aber kaum feststellbar Instabile Teilchen existieren in ruhender Materie nur als „virtuelle Teilchen“ (existieren auf Zeiten < hquer * E), können aber als „reale“ Teilchen durch Umwandlung von Energie in Masse(E = mc**2) erzeugt werden. Bei Untersuchung von Materie durch Strahlung (Lichtwellen) können nur Strukturen größer als die verwendete Wellenlänge aufgelöst werden. Dies gilt auch bei Verwendung anderer Strahlen (Materiewellen), z.B. Elektronenmikroskop. Wir verwenden Teilchenstrahlen teilweise so auch in Hochenergiephysik (z.B. tief inelastische Streuung: Untersuchung von Hadronen durch Streuung von Elektronen). Man braucht also hohe Energien, um Strukturen auflösen zu können.

Elektronenmikroskop Mittels eines kleinen Elektronenbeschleunigers („Röntgenröhre“) werden hochenergetische, also kurzwellige Lichtsonden („Röntgenstrahlen“) hergestellt. Kommentar: Die Durchleuchtung eines Patienten in der Radiodiagnostik hat nichts mit der Röntgenbeugung etwa in den Materialwissenschaften zu tun. Bei Elektronenmikroskopen werden die beschleunigten Elektronen direkt auf das Target gelenkt. Erste Anwendung eines Teilchenbeschleunigers. Übersteigt die verfügbare Gesamtenergie bei einem Streuexperiment jedoch das Energie/Massenäquivalent eines bestimmten Teilchens, so können im Rahmen wichtiger Einschränkungen (etwa die Berücksichtigung des Erhaltungssatzes der Ladung) neue Teilchen entstehen, darunter auch die Mitglieder der bald nach dem Urknall ausgestorbenen zweiten und dritten Teilchenfamilien. Es entsteht also im Laboratorium eine Art „Miniurknall“ auf sehr kleinem Raum. Bisher haben wir nur vom Beschuss ruhender Targets gesprochen. Will man dem Urknall besonders nahe kommen, so werden Sonde und Target gegenläufig beschleunigt, sodass es zu einem Frontalzusammenstoß kommt („Kollisionsmaschine“).

Van-de-Graaf - Generator Eines der ältesten und einfachsten Systeme zur Erzeugung sehr hoher Gleichspannungen, das jedoch in modernen Teilchenbeschleunigern nicht verwendet wird.

Der Cockroft-Walton- Beschleuniger Der Cockroft-Walton-Beschleuniger ist in sehr vielen System in Verwendung (z.B. auch Fernsehapparate), wurde und wird auch oft als erste Stufe (Vorbeschleuniger) von Teilchenbeschleunigern eingesetzt.

Cockroft-Walton-Beschleuniger am CERN Der Cockroft-Walton-Beschleuniger am CERN (Genf) wurde vor einigen Jahren durch neuere Systeme (radio frequency quadrupole) ersetzt und ist jetzt nur mehr Ausstellungsstück.

Oben: Alvarezstruktur zur Beschleunigung von Protonen ( und schweren Ionen). Das Prinzip eines solchen Hochfrequenzlinearbeschleunigers besteht darin, dass die Stärke der beschleunigenden elektrischen Felder und die geometrischen Abmessungen so ausgelegt werden , dass die Bewegung der Teilchen mit der Phase der Hochfrequenzfelder synchron bleibt. Unten: Topfkreisstruktur nach Alvarenz. Das elektromagnetische Feld wird durch Einschluss in einem Hohlraumresonator am Abstrahlen gehindert.

ein geöffneter Topfkreis

Zyklotron Umlauffrequenz unabhängig vom Impuls des Teilchens: r.............Bahnradius m...........Masse des Teilchens v............Geschwindigkeit des Teilchens q............Ladung des Teilchens B............Magnetfeld Um dieselben Beschleunigungsstrecken mehrmals nutzen zu können, schickt man die Teilchen auf eine Kreisbahn. Legt man an einen aufgeschlitzten Zylinder in einem Magnetfeld parallel zur Zylinderachse ein elektrisches Feld geeigneter Frequenz an, so erreicht das Teilchen immer gerade dann den Schlitz, wenn das elektrische Feld in Richtung der gewünschten Beschleunigung zeigt. Zyklotrone sind heute noch weltweit im Einsatz, insbesondere zur Erzeugung radioaktiver Isotope und in der Strahlentherapie, aber auch in der physikalischen Grundlagenforschung (z.B.. Am Paul Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz). Beim Erreichen höherer Energien ist der -Faktor zu berücksichtigen und die Frequenz ~ 1/ muss zurückgenommen werden (Synchrozyklotron). Ein entscheidender limitierender Faktor ist das Ausmaß des kompakten Magneten. Zyklotrone liefern einen ständigen (nicht gepulsten) Teilchenstrom. Umlauffrequenz unabhängig vom Impuls des Teilchens:

Synchrotron Ein wesentlicher Schritt zu hohen Energien war die Erfindung des Synchrotrons, bei dem die Funktionen Beschleunigung, Ablenkung und Fokussierung entlang sehr großer Ringstrecken durch kleine selbstständige Einheiten durchgeführt werden. Dabei werden die beschleunigten Teilchen mittels Biegemagneten auf einer Kreisbahn gehalten und können so viele Millionen Mal durch dieselben Beschleunigungskavitäten gejagt werden. Als weiteres Element braucht man noch magnetische Linsen, um die Teilchen lateral stabil zu halten. Beim Synchrotron steigt die Energie aller Teilchen im Beschleuniger während der Beschleunigungsphase (von Bruchteilen von Sekunden bis zu Minuten). Danach können die Strahlen ohne weitere Beschleunigung extrahiert oder zur Kollision gebracht werden.

Super-Proton-Synchrotron (Genf) SPS-Tunnel Super-Proton-Synchrotron (Genf) Protonenbeschleuniger: Die ersten Protonensynchrotrons mit der beachtlichen Energie von 25 – 30 GeV entstanden in Brookhaven (auf Long Island in der Nähe von New York) und bei CERN. Beide Maschinen gingen 1959 in Betrieb. Die erste große Protonenkollisionsmaschine war der Intersecting Storage Ring ISR bei CERN. Der nächste große Beschleuniger bei CERN war vorerst nur für eine Strahlrichtung konzipiert, doch konnte er durch die geniale Leistung der Beschleunigerphysiker ohne zweiten Ring zu einem Proton-Antiproton-Collider (SPS) ausgebaut werde, was letztlich zum exakten experimentellen Nachweis der schwachen Kräfteteilchen (W+, W-, Z0) führte (Bild: SPS-Tunnel). Für diese Leistung bekamen der Teilchenphysiker C. Rubbia und der Beschleunigerphysiker Van der Meer den Nobelpreis. An diesem Experiment war das Institut für Hochenergiephysik wesentlich beteiligt.

erster Elektron-Elektron-Collider: Nowosibirsk / Russland VEP-1 130+130 MeV Elektronen-Elektronen-Beschleuniger Der erste e--e+ Beschleuniger wurde übrigens von einem Österreicher, Bruno Touschek, gebaut. Während man in Amerika (vor allem in Standford, Kalifornien) konsequent den Bau von Elektron- Positron Maschinen verfolgte, setzte man in Nowosibirsk – Sibirien, Russland– vorerst auf Elektron-Elektron-Speicherringe (Bild: e- e- Speicherring VEP-I in Nowosibirsk, VEP = ВЭП встречные электронные пучки, gegeneinanderlaufende Elektronstrahlen). Der bisher größte und vermutlich letzte Elektron-Positron-Speicherring war der Large Electron Positron Collider (LEP) bei CERN. Bei noch größeren Speicherringen wäre der Verlust durch Synchotronstrahlung zu groß. Auch bei LEP waren supraleitende Beschleunigungskavitäten im Einsatz. Kommentar: emittierte Energie… W Dieser Energieverlust verringert sich mit der vierten Potenz der Teilchenmasse, sodass der Effekt bei Protonspeicherringen kaum eine Rolle spielt. Bei hochenergetischen Elektron- oder Positronsynchrotronen (LEP) muss die Bedeutung der Supraleitung erwähnt werden: Elektronen strahlen im Biegemagneten infolge ihrer kleinen Masse vehement elektromagnetische Strahlung ab (Synchotronstrahlung); diese Energieabstrahlung muss daher durch besonders verlustfreie supraleitende Beschleunigungskavitäten kompensiert werden. Da Protonen aus mehreren Konstituenten bestehen, müssen sie auf besonders hohe Energie beschleunigt werden. Um den Beschleunigerumfang in vernünftigen Grenzen zu halten., müssen die Biegemagneten für Protonmaschinen ein starkes magnetisches Feld liefern. (Biegemagnete mit supraleitenden Magnetspulen).

Schema eines ringförmigen Colliders Quadrupole Dipol Resonator Reaktionsprodukte Wechselwirkungszone Schema eines ringförmigen Colliders Um bei der Teilchenkollision besonders hohe Energiedichten zu erzielen, werden die Kreisbeschleuniger heute von Anfang an als Kollisionsmaschinen konzipiert. Nach der Beschleunigungsphase dienen die Beschleuniger dann als Speicherringe, in denen die beiden Strahlen Stunden bis Tage gegen einander zirkulieren. Dabei werden zwei Teilchenstrahlen gegenläufig beschleunigt und zur Kollision gebracht. Handelt es sich um Teilchen mit entgegengesetzter Ladung (Elektronen/ Positronen, oder Protonen/ Antiprotonen), so kann die Beschleunigung in einem Ring erfolgen.

LHC Dipol Die große Kollisionsmaschine der Zukunft: Large Hadron Collider Bei diesem Beschleuniger, der zur Zeit am CERN (Genf) fertiggestellt wird, werden Protonen gegen Protonen geschossen. Da also die Teilchen in beiden Laufrichtungen dieselbe Ladung haben, müssen die entsprechenden Ablenkmagnete umgekehrte Polarität haben, und es sind dementsprechend zwei getrennte Strahlrohre vonnöten.

Schematische Darstellung des LHC-Speicherringes (Einbau in den früheren LEP-Tunnel) Tabelle der wichtigsten modernen Collider-Experimente: TEVATRON: 1998: Top-Quark (einer der letzten Bausteine des Standardmodells) gefunden, derzeitiges Hauptziel: Suche nach dem Higgs-Boson. Dieses ist wichtig für das Standardmodell. Seine Existenz wird nämlich von dieser vorhergesagt. Weiterer Forschungsschwerpunkt: Suche nach neuer Physik. RHIC: Hier werden ganze Atomkerne zur Kollision gebracht. Dadurch ist die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas möglich, ein Aggregatzustand wie er kurz nach dem Urknall bestanden hat. BELLE/ BABAR: Im Jahr 2001 ist die sogenannte CP-Verletzung in B-Meson Zerfällen entdeckt worden. CP-Verletzung ist kosmologisch wichtig, um zu erklären, warum das heutige Universum lediglich aus Materie besteht, und nicht auch aus Antimaterie. HERA: Erforschen der starken Wechselwirkung der Quarks LHC: CMS und ATLAS sind Experimente, die u.a. für die Suche nach dem Higgs-Boson. Diese Experimente sollen auch nach neuer Physik (z.B.: Supersymmetrie) suchen. ALICE: Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas LHCb: Experiment zur CP-Verletzung in B-Meson Zerfällen.

Die größten Beschleuniger Kollisionsrate/ Teilchengröße Teilchenart EStrahl Start Kollisionsrate/ Teilchengröße [ 10-30 cm-2 s-1] TEVATRON p p 2 x 900 GeV 1987 25 PEP II e+ e- 10,5 GeV 1999 5000 KEK B 13 000 HERA p e± 26 + 820 GeV 1992 15 LHC (in Bau) 2 x 7000 GeV 2007 >10 000 Tabelle der derzeit größten Beschleuniger und ihren Eigenschaften: Ad Tevatron: Der derzeit größte Proton-Antiproton-Collider steht beim Fermi National Accelerator Laboratory FNAL bei Chicago, wobei Protonen und Antiprotonen von jeweils fast 1000 GeV (1 TeV) aufeinander prallen. Ad LHC: Bei CERN ist die nächste Maschine, der Large Hadron Collider LHC, bereits in Bau, wo Protonen mit Protonen von jeweils 7000 GeV kollidieren werden. Dies ist im bestehenden LEP-Tunnel, der hier wieder verwendet wird, nur möglich indem die Biegemagneten im supraleitenden Spulen ausgestattet werden. Strahlrohre liegen nah bei einander, werden in den Kreuzungspunkten zusammengeführt, Rückfuhr des Flusses durch ein einziges Magnetjoch mit ausreichend großem Querschnitt, um den hohen Fluss transportieren zu können. Bei Elektron-Positron-Collidern mussten die Beschleunigungsresonatoren supraleitend sein, um den Energieverlust durch Synchotronstrahlung effizient nachliefern zu können. Bei Proton-Proton-Collidern, wo die Synchotronstrahlung nahezu vernachlässigbar ist, wird die Supraleitung bei den Biegemagneten eingesetzt, um die Größe des Ringes in Grenzen zu halten.

Wegen des großen Platzbedarfes moderner Beschleuniger werden diese meist unterirdisch errichtet, so wie die großen Beschleuniger am CERN in Genf (im Vordergrund der Flughafen Genf, im Hintergrund das Juragebirge). Der große Kreis bezeichnet den LEP/LHC-Tunnel (28 km Umfang), der kleinere den des Superprotonsynchrotrons (SPS, 5 km Umfang).

Bei einem großen Beschleunigerzentrum wie z. B Bei einem großen Beschleunigerzentrum wie z.B. dem CERN in Genf erfolgt die Beschleunigung der verschiedenen Teilchenarten (Protonen, Antiprotonen, Ionen, Elektronen, Positronen) in mehreren Stufen und spezialisierten Anlagen. Manche dieser Beschleuniger können wahlweise abwechselnd verschiedene Teilchenarten beschleunigen (z.B. ineinandergeschachtelte Beschleunigungszyklen für Protonen und Elektronen/Positronen).

Forschungs-schwerpunkt Die bedeutendsten gegenwärtigen Collider-Experimente Experimente Beschleuniger Labor Forschungs-schwerpunkt CDF, D0 TEVATRON FNAL (Chicago/USA) Top-Quark, Higgs-Suche STAR RHIC BNL (New York/USA) Quark-Gluon-Plasma BABAR PEP II SLAC (Kalifornien/ USA) CP-Verletzung BELLE KEK B KEK (Japan) H1, ZEUS HERA DESY (Deutschland) QCD CMS, ATLAS, ALICE, LHCb LHC CERN (Genf/ Schweiz) Higgs-Suche, neue Physik Tabelle der wichtigsten modernen Collider-Experimente: TEVATRON: 1998: Top-Quark (einer der letzten Bausteine des Standardmodells) gefunden, derzeitiges Hauptziel: Suche nach dem Higgs-Boson. Dieses ist wichtig für das Standardmodell. Seine Existenz wird nämlich von dieser vorhergesagt. Weiterer Forschungsschwerpunkt: Suche nach neuer Physik. RHIC: Hier werden ganze Atomkerne zur Kollision gebracht. Dadurch ist die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas möglich, ein Aggregatzustand wie er kurz nach dem Urknall bestanden hat. BELLE/ BABAR: Im Jahr 2001 ist die sogenannte CP-Verletzung in B-Meson Zerfällen entdeckt worden. CP-Verletzung ist kosmologisch wichtig, um zu erklären, warum das heutige Universum lediglich aus Materie besteht, und nicht auch aus Antimaterie. HERA: Erforschen der starken Wechselwirkung der Quarks LHC: CMS und ATLAS sind Experimente, die u.a. für die Suche nach dem Higgs-Boson. Diese Experimente sollen auch nach neuer Physik (z.B.: Supersymmetrie) suchen. ALICE: Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas LHCb: Experiment zur CP-Verletzung in B-Meson Zerfällen.

Forschungszentren weltweit SLAC: Stanford Linear Accelerator Center FNAL: Fermi National Accelerator Laboratory LEPP: Cornell Laboratory for Elementary Particle Physics BNL: Bookhaven National Laboratory DESY: Deutsches Elektronensynchotron CERN: Conseil européen pour la recherche nucléaire PSI: Paul-Scherrer-Institut LNF: Laboratori Nationali di Frascati LNGS: Laboratori Nationali del GranSasso BINP: Budker Instiute for Nuclear Physics BEPC: Beijing Electron Positron Collider KEK: (japanische Abkürzung)

Bei Kollisionen von Protonen entsteht eine Vielzahl von Sekundärteilchen, ein großer Teil davon sind elastische Streuungen von Quarks. Das Auffinden der physikalisch interessanten Spuren ist weitaus schwieriger als bei Elektron/Positron-Collidern. Oft werden daher zwar Entdeckungen an Protonmaschinen gemacht, die genaueren Messungen erfolgen dann aber in Elektron-Positron-Collidern.

Ein Ausweg zur Erreichung hoher Energien für Elektron-Positron-Kollisionsmaschinen sind Linearbeschleuniger. Die Beschleunigungsfelder können heute so stark (1 Million Volt pro cm) gemacht werden, dass man auch bei nur einmaligem Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke die nötigen Energien erzielen kann. Eine andere Möglichkeit, die in Erwägung gezogen wird, ist die Entwicklung von Myon-Collidern. Myonen ähneln stark den Elektronen, sind aber 200 Mal schwerer, sodass die Synchrotronstrahlungsverluste 2004 (=1‘600‘000‘000) Mal kleiner sind. Ein Problem dabei ist jedoch die Tatsache, dass Myonen instabil sind und nach 2.2 μs zerfallen.