Teilchenbeschleuniger
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Städtische Marian-Batko-Berufsoberschule München Schuljahr: 1999/2000 Klasse: 13F Alexander Markus Thomas Facharbeit zum Thema: Teilchenbeschleuniger Die verschiedenen Teilchenbeschleuniger und deren Entwicklung Fach: Physik Fachlehrer: R. Weber 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 3 2. Physikalische Grundlagen 2.1. Untersuchung von subatomaren Strukturen 2.2. Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen 2.3. Ablenkung von elektrisch geladenen Teilchen 2.4. Erzeugung von „neuen“ Teilchen durch die Einsteinsche Masse-EnergieÄquivalents 2.5. Relativistische Effekte bei großen Teilchengeschwindigkeiten 2.6. Antiteilchen 4 4 4 5 3. Bausteine eines Teilchenbeschleunigers und deren Entwicklung 3.1. Quellen für geladene Teilchen 3.2. Beschleunigungsröhren 3.2. Detektoren 7 7 8 9 5 6 6 4. Die verschiedenen Bauformen von Teilchenbeschleunigern 4.1. Das Zyklotron 4.2. Das Synchrozyklotron 4.3. Das Synchrotron 4.4. Das Betatron 4.5. Der Linearbeschleuniger 12 12 12 12 13 13 5. Fortschritte in der Wissenschaft durch die Teilchenbeschleuniger 14 6. Schlußwort 16 7. Literaturverzeichnis 17 8. Erklärung 18 2 1. Einleitung Diese Facharbeit soll einen kleinen Überblick über die Welt der Teilchenbeschleuniger schaffen. Dieses Thema ist sehr interessant, denn die Teilchenbeschleuniger haben unser physikalisches Weltbild, in diesem Jahrhundert, so stark revolutioniert, wie ca. 300 Jahre vorher die Erfindung des Teleskops, außerdem kenne ich mich selbst sehr gut mit den Teilchenbeschleunigern aus, da dieses Thema seit langem interessiert, und ich schon viele Bücher, die sich mit den Teilchenbeschleunigern und den Theorien die mit den Teilchenbeschleunigern überprüft werden gelesen habe, des weiteren habe ich 1999 eine Exkursion nach CERN mitgemacht, die sehr aufschlußreich und interessant war. Viele Leute meinen in den Beschleunigungsanlagen würde es nicht mit rechten Dingen zugehen, und die Wissenschaftler währen Magier, die gar Unheimliches tun. Daß dies nicht so ist und die Teilchenbeschleuniger im Prinzip nur gigantische Mikroskope sind, soll diese Facharbeit zeigen. Um zu verhindern, daß diese Arbeit ausartet, und vom hundertsten in tausendste kommt, werde ich mich auf die Ausarbeitung des Aufbaus, der Entwicklung seit dem ersten Teilchenbeschleuniger und den verschiedenen heute verwendeten Beschleunigern beschränken, außerdem kann ich wegen der Komplexität der physikalischen Theorien, die mit den Teilchenbeschleunigern überprüft werden, auch nur einen Überblick dieser Theorien geben. Ich habe bei dieser Facharbeit zuerst meinen Wissenstand durch lesen der aktuellsten Forschungsergebnisse aufgebessert, danach habe ich die mir am besten für diese Arbeit erschienen Bücher zusammengelegt, und eine Skizze der Facharbeit entworfen. Nach Zusammenstellung der wichtigsten Teilbereiche, ging ich daran die Teilbereiche zusammenzuschreiben und sie auf Fehler zu überprüfen, erst zum Schluß ging ich daran Bilder und Diagramme einzufügen. Bei um an aktuelle Informationen zu gelangen benützte ich das Internet, diverse wissenschaftliche Zeitschriften und Fachbücher, die ich mir damals direkt in CERN gekauft hatte oder schon hatte. 3 2. Physikalische Grundlagen Dieses Kapitel ist eine Einführung in die grundlegende Physik die einen Teilchenbeschleuniger erst ermöglicht, sie soll nur einen Überblick über die grundsätzlichen Mechanismen bieten. 2.1. Untersuchung von subatomaren Strukturen Um in einem festen Körper Strukturen zu erkennen, die selbst mit den stärksten Mikroskopen nicht mehr zu erkennen sind, muß man Teilchen nehmen die wesentlich kleiner sind, als die Struktur, die man erforschen will. Heutzutage nimmt man Elektronen oder Protonen und schießt sie auf ein sogenanntes Target, durch die Auslenkung die sie nach dem austreten aus dem Target aufweisen, kann man auf die innere Struktur der Materie schließen, so entdeckte E. Rutherford im 19. Jahrhundert den Atomkern, in dem er eine sehr dünne Goldfolie mit Alpha-Strahlung (Kerne des Helium-Atoms) beschoß. Will man aber noch kleinere Strukturen erforschen geht man einen anderen Weg: Man Beschleunigt ein Teilchen sehr stark und führt einen Frontalzusammenstoß mit den Teilchen des Targets herbei, dabei wird das getroffene Teilchen zersprengt, und man erkennt an den Resten, die den Impuls des Projektils übernommen haben und somit in „Schußrichtung“ aus dem Target austreten, wie das ursprüngliche Teilchen ausgesehen hat, das ist mit einem Puzzle zu vergleichen, auf daß man schießt, und an den Teilen, die danach entstehen, das ursprüngliche Bild wieder herstellen will. 2.2. Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen Um ein Teichen zu beschleunigen muß es elektrisch geladen sein, da es sich sonst nicht beeinflussen läßt. Die Teilchen werden durch eine Reihe von elektrischen Feldern, in Flugrichtung, beschleunigt. In den Beschleunigungsvorrichtungen ist eine Reihe von Metallplatten angebracht, die abwechselnd positiv oder negativ geladen sind (siehe Abb. 2.1), die Platte „hinter“ dem Teilchen ist von gleicher Ladung wie das Teilchen, und die vor ihm ist entgegengesetzt geladen, so daß es immer nach vorn beschleunigt wird. Die Potentialunterschiede zwischen den Platten betragen meist mehrere tausend Volt und so wird das Teilchen immer stärker beschleunigt, bis es, je nach hineingesteckter Energie, bis zu 99% der Lichtgeschwindigkeit erreicht hat. Die bei dieser Geschwindigkeit erforderliche hohe Frequenz der Wechselspannung, die an den Platten anliegt, muß sehr genau abgestimmt werden, da sonst die Teilchen wieder abgebremst werden würden. Auch zu beachten sind die relativistischen Effekte, die bei sehr hohen Geschwindigkeiten1 auftreten (siehe 2.5.) (Abbildung 2.1: Protonen werden durch Feldplatten beschleunigt)2 1 Ab 10% der Lichtgeschwindigkeit 2 Lucha, 1997, S. 83 4 2.3. Ablenkung von elektrisch geladenen Teilchen Um nun die Teilchen auf der Bahn zu halten, muß man sich starker Magnetfelder bedienen, die die Teilchen mit Hilfe der Lorenzkraft wieder auf Bahn bringt, oder sie in gewünschter Weise ablenkt (siehe Abb. 2.2), diese Magnetfelder müssen sehr stark sein, da die Energie des Teilchens im Beschleuniger bereits sehr groß ist. Um nun so starke Magnetfelder zu erzeugen, werden Supraleiterspulen eingesetzt, in denen der elektrische Widerstand durch sehr tiefe Temperaturen ausgeschaltet wurde. (Abbildung 2.2: Protonen werden durch einen Dipolmagneten abgelenkt)3 2.4. Erzeugung von „neuen“ Teilchen durch die Einsteinsche Masse-EnergieÄquivalents Bei den hohen Energien, die man heutzutage verwendet, treten neue Phänomene auf, die man ausnutzt. So entstehen nämlich bei bestimmten Energien neue Teilchen, die so in der freien Natur nicht meßbar vorkommen, die aber benötigt werden, um die Theorien der Wissenschaftler zu verifizieren. Und so ist es möglich, bestimmte Teilchen zu beobachten, die in der Natur nur wenige Millisekunden nach dem Urknall frei auftraten. Diese neuen Teilchen können „aus dem Nichts heraus entstehen“, weil Einstein 19054 festgestellt hat, daß Energie und Masse zwei Erscheinungsformen der gleichen Ursache sind, und somit ineinander unwandelbar sind, und dies sagt die unscheinbare Formel E=mc2 aus. Aus diesen Erkenntnissen heraus hat man auch eine neue Einheit eingeführt, das Elektronenvolt eV, das ist die Energie die ein Elektron hat, wenn es auf einer Strecke von einem Meter mit der Spannung von einem Volt beschleunigt wurde. Und nun, da die Massen in der Teilchenphysik so winzig sind, daß sie schwerlich in Gramm anzugeben sind, wurden auch die Massen der entdeckten Teilchen in Elektronenvolt angegeben, so besitzt das Proton zum Beispiel eine Masse von rund einem Gigaelektronenvolt (109eV), daß scheint viel, aber es sind Umgerechnet nur 1,78*10-27 kg! Um nun ein Proton zu erzeugen, muß man nur diese Energie auf einen Punkt von der Größe eines Protons konzentrieren. Dies gelingt aber nur wenn man z.B. zwei Elektronen so beschleunigt, daß die Gesamtenergie 109eV beträgt, und sie frontal zusammenstoßen läßt, denn wenn man die Elektronen auf ein Target auftreffen lassen würde, würde sich die Energie der Elektronen im Target „verlaufen“, und für das Experiment verloren. Dabei kommt zur kinetischen Energie der Teilchen auch noch die „Masse-Energie“ der Teilchen hinzu, im Fall vom Elektronen 0,5MeV zusätzlich. Will man noch höhere Energien, so nimmt man schwerere Teilchen, wie etwa Protonen mit 1GeV. 2.5. Relativistische Effekte bei großen Teilchengeschwindigkeiten 3 Lucha, S. 83 4 Nach Bültel, 1999 5 Aber man muß auch beachten, daß bei Energieberechnungen von Teilchen mit sehr hoher Energie, die relativistischen Effekte mit einberechnet werden müssen. So kommt es, das ein Teilchen mit 90% der Lichtgeschwindigkeit mehr kinetische Energie in sich hat, als es der klassische Ansatz von Newton vorhersagt. Dadurch müssen die Beschleuniger an die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie angepaßt werden. 2.6. Antiteilchen Um einen noch sauberen Stoß zu erzielen, greift man darauf zurück, daß man ein Teilchen und sein Antiteilchen gegenläufig beschleunigt, und sie zusammenprallen läßt. Das Teilchen reagiert mit seinem Antiteilchen, und erzeugen ein hochenergetisches Photon, das seine große Energie, nach einiger Zeit, durch quantenphysikalische Effekte, seine Energie abgibt, aus der neue Teilchen entstehen. (siehe 2.4.) Antimaterie wurde das erste mal 19295 von P. Dirac in einer Theorie zur Vereinigung von Einsteins Speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vorhergesagt, und schließlich wurde 1932 das erste Antiteilchen nachgewiesen. 5 Nach Fraser, 1998, S. 44 6 3. Bausteine eines Teilchenbeschleunigers und deren Entwicklung Teilchenbeschleuniger ist heutzutage riesige Apparaturen, aber auch hier haben die Forscher einmal klein Angefangen. Um nun zu verstehen, wie sich die Teilchenbeschleuniger entwickelt haben, muß man auch die Entwicklung der einzelnen Komponenten ansehen. Die Grundbausteine eines Teilchenbeschleunigers gleichen den Komponenten einer Fernsehbildröhre. (Abbildung 3.1: „Die Fernsehröhre. Sie enthält alle Grundbausteine eines Beschleunigers.“)6 3.1. Quellen für geladene Teilchen Es gibt verschiedene Quellen für geladene Teilchen, Diese sind je nach Teilchen unterschiedlich. Will man Elektronen beschleunigen, so verwendet man einen einfachen Glühdraht, wie in einem Fernseher, aus dem Elektronen durch die Wärmeenergie ausgeschwitzt werden. Diese Elektronen werden werden durch ein schwaches elektrisches Feld abgesaugt und zur Beschleunigungsanlage transportiert. Will man Protonen beschleunigen, so muß man erst Wasserstoffgas ionisieren, anschließend die Protonen und Elektronen durch ein elektrisches Feld aussortieren und die Protonen, die wegen ihrer positiven Ladung zur negativ geladenen Platte des felderzeugenden Kondensators gewandert sind, der Beschleunigungsanlage zuführen. Diese zwei Teilchenquellen waren am Anfang des 20. Jahrhunderts bereits bekannt, und mußten nur durch ein paar Modifikationen verbessert werden, um in den Beschleunigungsanlagen Verwendung zu finden. Andererseits ist es oft besser, wenn man ein Teilchen und sein Antiteilchen (siehe 2.6) miteinander reagieren läßt. Wenn man ein Teilchen und sein Antiteilchen gegenläufig beschleunigt, und sie frontal miteinander Kollidieren läßt, annihilieren sie sich und die Energie, die dabei frei wird, ist an einem Punkt, in einem Photon, konzentriert. Dieses Photon kann nicht lange existieren, da es zu energiereich ist. Es zerfällt nach kurzer Zeit in ein, oder mehrere Teilchen, deren Gesamtmasse gleich der Masse des Photons ist. Mit diesen Stößen kann man den Wirkungsgrad der Kollision zusätzlich erhöhen. Aber Antiteilchen kommen in der freien Natur nicht sehr lange vor, denn sie reagieren sehr schnell mit normalen Teilchen, und wandeln sich in energiereiche Photonen um, deshalb muß man Antiteilchen, erst künstlich erzeugen, und von normaler Materie fernhalten. Positronen werden erzeugt, in dem erstmal normale Elektronen auf eine Blechplatte, z.B. aus Wolfram geschossen werden, durch verschiedenste Wechselwirkungen in den Atomkernen entstehen Positronen, diese müssen noch von den Elektronen durch ein elektrisches Feld aussortiert werden, anschließend kann man die Positronen der Beschleunigungsanlage zuführen. Antiprotonen werden nach dem gleichen Prinzip 6 Lucha, S. 76 7 erzeugt, dabei wird aber ein etwas anderes Target verwendet. 3.2. Beschleunigungsröhren In den Beschleunigungsanlagen werden die Teilchen in den Beschleunigungsröhren auf die erforderliche Geschwindigkeit gebracht. Am Anfang hat man einfach das Prinzip der Kathodenstrahlröhre benützt, das Target wurde Positiv aufgeladen, und Elektronen wurden von der Kathode auf des als Anode dienende Target geschossen, die Energien wahren dementsprechend nicht sehr groß. Deswegen ist man dazu übergegangen, die Elektronen - und andere Teilchen - zusätzlich in Beschleunigungsvorrichtungen zu beschleunigen. In den Beschleunigungsvorrichtungen muß man zwischen teilchenführenden und beschleunigenden Bauteilen unterscheiden. Bei den beschleunigenden Bauteilen handelt es sich immer um Bauteile, die ein elektrisches Feld aufbauen, das die Teilchen beschleunigt (siehe auch 2.1). Die erste Konzept eines beschleunigenden Bauteils war das eines Strahlentransformators, das 1926 von R. Wideröe veröffentlicht wurde. „Die Analogie zum Transformator bestand darin, die Sekundärwicklung eines Transformators durch eine ringförmige Hochvakuumelektronenröhre zu ersetzen und die Elektronen in dem dort (durch das zeitlich veränderliche Magnetfeld) induzierten elektrischen Wirbelfeld zu beschleunigen“7 (siehe Abb. 4.3) Dieses Konzept war zwar sehr erfolgversprechend, aber damals gab es einfach noch nicht die technischen Möglichkeiten einen Elektronenstrahl magnetisch zu fixieren, die magnetischen Felder waren zu inhomogen und die Elektronen luden die Röhrenwände auf, was den Strahl zusätzlich ablenkte, deshalb war das Konzept in experimenteller Hinsicht ohne Erfolg. Danach wurde von R. Wideröe das Konzept des schwedischen Wissenschaftlers G. Ising aufgegriffen, nach dem positiv geladene „Ionen in einer linearen Hochvakuumröhre, indem sie sozusagen auf der Vorderseite einer über mehrere Elektroden zugeführten Wanderwelle reiten, starke Beschleunigungen erfahren“, und vereinfacht. Er nahm nur eine einzige Röhrenelektrode, an die er eine elektrische Wechselspannung anlegte, die dafür sorgen sollte das die Ionen beim Eintritt in die Röhre und beim Austritt eine Beschleunigung erfahren. Man konnte damals aber nur sehr schwere Ionen verwenden, wie etwa Natrium oder Kalium, da die damals möglichen Frequenzen eher bescheiden, und die Länge der Röhren begrenzt waren. Kleine und leichte Teilchen wären nämlich einfach schon durch die Röhre durch geflogen, und währen von hinteren Ende der Röhre wieder abgebremst worden. Heutzutage verwendet man statt vieler Röhrenelektroden sogenannte Hohlraumresonatoren, die einem halboffenen Schwingkreis entsprechen. (Abbildung 3.2: „Elektronisches Ersatzschaltbild für einen Hohlraumresonator“)8 Nach dem man nun auch immer größere Energien in die Teilchen steckte, war es nun auch erforderlich den Teilchenstrahl zu fokosieren, da sonst der Großteil der Teilchen an die Wand des Beschleunigers fliegt und somit verloren währe. Diese Fokosierung erreichte man durch teilchenführende Bauteile. Ein solches Bauteil sind die 7 Kaiser, 1999 8 Lucha, S. 80 8 magnetischem Linsen, die sogenannten Quadrupole. In den Quadrupolen sind vier Magneten zu jeweils 90°, so angeordnet, daß sich immer zwei gleiche Pole gegenüberstehen. (Abbildung 3.3: „Quadrupol. In einer Richtung wirkt die Lorenzkraft fokossierend, in der anderen defokossierend.“)9 Die Teilchenbündel werden durch eine Anordnung von Quadrupolen, wie optische Linsen wieder fokosiert, und damit wieder auf Kurs gebracht. Wie man dazu überging Teilchen mehrmals in einer Beschleunigungsröhre zu beschleunigen, mußte man erst den Teilchenstrahl biegen, so daß er auf einer Kreisbahn fliegt, dies erreichte man durch einfache Dipolmagneten (siehe Abb. 2.2). Früher waren diese Ablenkmagneten noch einfache Elektromagneten, denn Festmagneten können kein homogenes Magnetfeld der brauchten Reinheit erzeugen, aber heutzutage verwendet man supraleitende Magnetspulen, die einen viel höheren Wirkungsgrad haben, und außerdem können sie stärkere Magnetfelder erzeugen. 3.3.Detektoren Nachdem nun die Teilchen in einer Beschleunigungsvorrichtung auf die erforderliche Energie gebracht wurden, werden sie in den Detektoren zur Kollision gebracht. Die Detektoren messen heutzutage, den Impuls, die Masse, die Geschwindigkeit, die Ladung und alles was es zu messen gibt. Die ersten Detektoren waren noch einfache Blasenkammern, in denen ionisierte Teilchen eine Nebelspur in einer überhitzten Flüssigkeit hinterlassen, die man auf Fotoplatten aufgenommen hat. Sie waren außerdem in einem homogenen Magnetfeld eingebettet, dadurch konnte man die Ladung der Teilchen, und deren Zerfallsprodukten, ihre Masse und ihrer Geschwindigkeit bestimmen, dies ist möglich, da sich je nach Ladung, Masse und Geschwindigkeit eine unterschiedliche Spiralbahn zeigte. Diese Messmethode ist so genau, daß sie bis in die 70´er Jahre, und mit einigen Verbesserungen sogar noch bis in die 80´er Jahre, bei den großen Beschleunigungsanlagen Verwendung fand. Sie wurde aber durch die Entwicklung der Computertechnologie durch elektronische Meßvorrichtungen abgelöst, da es sehr mühsam war viele tausende Fotografien zu analysieren und miteinander zu vergleichen, den nur circa einer von tausend Tests ist wirklich erfolgreich und zeigt ein interessantes Ereignis. Mit den Computern ist es nun möglich Fehlschläge gleich auszusortieren und sich eine Grobanalyse geben zu lassen. Diese modernen elektronischen Meßeinrichtungen sind aus vielen verschiedenen Sensoren zusammengesetzt, da ein Sensor allein nicht alle Größen messen kann, die erforderlich sind. „Das Kernstück fast jeden Detektors ist ein Spurdetektor zur Vermessung der Spuren der als Reaktionsprodukt entstandenen geladenen Teilchen. Die Größe und Richtung des Impulses eines geladenen Teilchens werden von einem Satz von 9 Lucha, S. 81 9 Ortsdetektoren bestimmt, welche, wie früher schon die Blasenkammern, die Ablenkung der Teilchenbahn in einem Magnetfeld messen. Einen solchen Satz von Ortsdetektoren nennt man zusammen mit dem zugehörigen Magneten ein Spektrometer. Vervollständigt wird das Experiment durch Geräte zur Identifizierung der Teilchen und zur Messung der Energie neutraler Teilchen [...].“10 Hinzu kommen noch Cherenkov-Zähler11, die die Geschwindigkeit geladene Teilchen identifizieren. Außerdem wird noch zwischen Detektoren für Experimente mit einem unbeweglichen Ziel und Detektoren für Kollisionsexperimente unterscheiden. Erstere haben eine Topfform und besitzen zusätzliche Szintillationszähler, die die Anzahl der Teilchen die auf das Target treffen messen. Letztere sind in einer Art Zwiebelstruktur um den Kollisionspunkt gebaut. (Abbildung 3.4: Aufbau der verschiedenen Detektoren. Oben: Detektor für Experimente mit ruhenden Target. Unten: Detektor für Kollisionsexperimente.)12 Die einzelnen Sensoren in den Detektoren, sind so unterschiedlich konstruiert wie die Größen die sie messen. Die Szintillatoren bestehen heute „[...] entweder aus anorganischen Kristallen [...] oder aus in Plexiglas eingebettete organische Substanzen.“13 Sie erzeugen einen Lichtblitz, sobald ein Teilchen auf sie trifft, und werden verwendet um nach Messung von Weg, Flugzeit und Energie der Teilchen bei interessanten Ereignissen den Rest es Detektor auslesen zu lassen. Denn viele Sensoren haben eine lange Leerlaufzeit nach der Messung, in der sie keine Daten sammeln können. Außerdem kommen noch elektronische Spurenkammern zum Einsatz. Die ersten Spurenkammern waren noch einfache Drahtkammern, in denen viele Drähte unterschiedlich geladen nebeneinander aufgespannt werden. Wenn nun ein Teilchen die Kammer durchfliegt, wird das Gas zwischen den Drähten ionisiert, und ein Funke kann von einem Draht zum anderen überspringen. Dieser kurze Stromstoß wird angemessen und in Computern ausgewertet. Diese Sensoren wurden noch ein etwas weiterentwickelt, aber schließlich von den Vieldrahtproportionalkammern abgelöst, da sie nur schwache Signale liefern. Außerdem konnte man an die Drähte nur bei der Messung eine hohe Spannung anlegen, die nach jeder Messung wieder ausgebaut werden mußte. Daraus ergaben sich lange Leerlaufzeiten. Anders die Vieldrahtproportionalkammern, sie wurde aus dem Geiger-Müller-Zählrohr 10 Lucha, S. 114 11 Der Cherenkov-Effekt: Wenn ein Teilchen sich schneller als das Licht in dem Medium bewegt, strahlt es einen Lichtkegel aus, um seine Geschwindigkeit zu verringern. 12 Lucha, S. 115f 13 Ebenda, S. 117 10 entwickelt, und funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Wenn ein Teilchen durch das Zählrohr fliegt, ionisiert es das Füllgas im Inneren, es entstehen freie Elektronen, diese werden nun von der Drahtanode im Inneren angezogen, ionisieren durch die starke Anziehung weitere Atome und lösen somit eine Kettenreaktion aus, die ein deutlich meßbares Signal liefert. Der Vorteil dieser Meßkammern liegt darin, daß man die Anlage ständig unter Spannung betreiben kann, auch ist das Signal durch die Kettenreaktion stärker. (Abbildung 3.5: Links ist ein Zählrohr und rechts eine Vieldrahtproportionalkammer zu sehen.)14 „Die heute meistverwendete Variante der Drahtkammer ist die Driftkammer. Sie besteht aus drei Ebenen paralleler Drähte, die in einem gasgefüllten Raum aufgespannt und von einem elektrischen Feld umgeben sind.“15 Driftkammern werden bevorzugt, da sie einfacher aufgebaut sind, da die Drähte weiter voneinander entfernt sind. Werden nun Elektronen durch ein ionisierenes Teilchen frei, driften sie zum nächsten Anodendraht, und erzeugen ein Signal. Gemessen wird die Zeit, die die Elektronen gebraucht haben um vom Ursprungsort zur Anode zu kommen, da die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit driften ist es möglich, „[...] Teilchenspuren bis zu einer Genauigkeit von etwa 50 µm zu lokalisieren.“16 Läßt man die Drähte weg, hat man eine Zeitprojektionskammer. Bei dieser Kammer wird es aber erforderlich die Flugbahnen der Elektronen mit einem Magnetfeld zu stabilisieren, da die Elektronen meterweit Driften müssen. Diese Kammern bestehen „[...] je aus einer rechten und linken Hälfte mit entgegengesetzter Feldrichtung, wobei der Detektor allerdings einige 10 kV Spitzenspannung aushalten muß.“17 (Abbildung 3.6: Links ist eine Driftkammer und rechts ein Driftkammerstapel zu sehen, aus ihr hat sich die Zeitprojektionskammer entwickelt.)18 Ab den 80´er Jahren wurden auch immer mehr Halbleiterdetektoren eingesetzt, sie sind sehr hochauflösende Ortsdetektoren. In ihnen werden ebenfalls Elektronen durch elektrisch geladene Teilchen freigesetzt, die für einen kurzen Stromimpuls sorgen. 14 15 16 17 18 Lucha, S. 121f Ebenda, S. 122 Ebenda, S. 123 Ebenda, S. 123f Ebenda, S. 122, 124 11 4. Die verschiedenen Bauformen von Teilchenbeschleunigern 4.1. Das Zyklotron Das erste Zyklotron, wurde 1932 von „[...] E. O. Lawrence zusammen mit S. Livingston in Berkeley (USA) nach einer von Lawrence 1930 veröffentlichten Idee realisiert.“19 Das Zyklotron war eine Blechdose, die in der Mitte auseinander gesägt wurde. In dieser „Dose“, werden schwere Teilchen beschleunigt, in dem man sie in ein homogenes Magnetfeld bettet, und die beiden Hälften der Dose an eine elektrische Wechselspannung konstanter Frequenz anschließt. Durch das Magnetfeld werden die Teilchen auf eine Kreisbahn gezwungen, und die Polarität der beiden Hälften wechselt bei jedem Durchgang. So gewinnen die Teilchen bei jedem Durchgang an Energie (Geschwindigkeit), wobei die Teilchen sich in einer Spiralbahn nach außen bewegen. Ist die maximale Energie (maximaler Radius) erreicht, so verlassen die Teilchen, durch eine Öffnung, das Zyklotron und werden auf ein Target gelenkt. Heute werden supraleitende Zyklotrone gebaut, die in der Medizin, „[...] z.B. für die Neutronentherapie [...]“20, eingesetzt werden. 4.2. Das Synchrozyklotron Eine Weiterentwicklung des Zyklotrons ist das sogenannte Synchrozyklotron, hier wird das elektrische Wechselfeld mit dem Umlauf synchronisiert, deshalb der Name. Mit dieser Verbesserung wurde es wiederrum möglich noch höhere Energien zu erzeugen. Das erste Synchrozyklotron wurde in dem erst gegründeten Kernforschungszentrum CERN von W. Genter am Genfer See gebaut. „Das Synchrozyklotron lieferte schon am 1. August 1957 den ersten Strahl. GENTNERS Name ist der erste in der Liste der Physiker, die im Protokollbuch den Vermerk der erfolgreichen Inbetriebnahme unterschrieben haben.“21 Aber auch hier sind den Energien Grenzen gesetzt, da die Magnetfelder ab einer bestimmten Feldstärke mit sich selbst wechselwirkt, und somit keine Homogenität mehr gewährleistet ist. Außerdem kann man die Dose nicht grenzenlos vergrößern, da man auch die Magneten nicht grenzenlos vergrößern kann. (Abbildung 4.1: Ein Zyklotron, in dem ein Teilchen durch das Wechselfeld beschleunigt wird.)22 4.3. Das Synchrotron Da sich das Konzept der Zyklotrone bei höheren Energien als Sackgasse erwiesen hat, ging man daran einen Linearbeschleuniger zu nehmen und ihn zu einen Kreis zu biegen. Das Konzept eines Synchrotrons beruhte auf den Arbeiten von V. I. Veksler (1944) und E. M. McMillan (1945) über Phasenstabilität und ermöglichte die Energie auf theoretisch 8 MeV zu erhöhen. Das erste Synchrotron, wurde nach dieser theoretischen Vorarbeit im August 1946 in den „General Electric Laboratory´s“ in Betrieb genommen 19 20 21 22 Guratzsch, 1999 Ebenda Schmidt-Rohr, 1999 Lucha, S. 87 12 und lieferte eine Strahlenergie von 70 MeV23. Dabei werden die Teilchen durch Ablenkmagneten zu einer Kreisbahn gezwungen, da ist sonst einfach, den Gesetzen der Trägheit folgend, geradeaus weiterfliegen würden, und damit an die Wand der Röhre. Nun ist ist es möglich geworden noch höhere Energien zu erreichen, da man, falls man größere Energien braucht, einfach einen größeren Ring bauen, oder die Ablenkmagneten austauschen kann. Heutzutage werden Synchrotrone bis zu einem Umfang von 30 km gebaut. (Abbildung 4.2: Schematischer Aufbau eines Synchrotrons)24 4.4. Das Betatron Beim Betatron, das ein Vorläufer der Linearbeschleuniger und Synchrotrone ist, griff man auf das von von R. Wideröe entwickelte Konzept eines Strahlentransformators zurück. Aber in Zuge der Weiterentwicklung des Betatrons hat sich gezeigt, das diese Entwicklung eine Sackgasse ist, „[...] da bei höheren Energien Stabilitätsprobleme auftraten.“25 Das Betatron wurde Anfang der Vierzigerjahre entwickelt und hat heute noch eine sehr große Bedeutung in der medizinischen und technischen Forschung. (Abbildung 4.3: Schnitt durch ein Betatron)26 4.5. Der Linearbeschleuniger Der Linearbeschleuniger wurde aus dem Betatron entwickelt, verwendete aber statt Strahlentransformatoren eine Anordnung von gelochten Elektrodenplatten und Hohlraumresonatoren (siehe Abb. 2.1 und 3.2). Bei einem HochfrequenzLinearbeschleuniger muß die Beschleunigungsstrecke der Geschwindigkeit der Teilchen angepaßt werden, d. h. In Flugrichtung wird der Abstand zwischen den Platten immer größer. Linearbeschleuniger haben heute neben den Synchrotronen eine sehr große Bedeutung 23 24 25 26 Nach Wilson, 1999, S. 1 Lucha, S. 88 Ebenda, S. 84 Ebenda, S. 86 13 bei den theoretischen Forschungen. 14 5. Fortschritte in der Wissenschaft durch die Teilchenbeschleuniger Die Teilchenbeschleuniger haben es möglich gemacht, viele physikalische Theorien zu bestätigen oder zu widerlegen. So wurde durch Teilchenbeschleuniger die Quantenphysik mehr als bestätigt. Dazu muß man die Entwicklung in den Ergebnissen anschauen. War die atomare Welt am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts noch einfach aufgebaut, man hatte Protonen, Neutronen und Elektronen, die ein Atom aufbauen, so zeigten sich durch den Einsatz von Teilchenbeschleunigern bei jedem Experiment, neue Teilchen, die scheinbar nutzlos waren, und Teilchen, die zur Bestätigung wichtiger Theorien gebraucht wurden, konnten mit den damals üblichen Energien noch nicht erzeugt werden. So wurde der Teilchenzoo, ein Begriff der sich damals Eingebürgert hat, immer größer. Er zeigte auf, daß die Theorien noch unvollständig waren. Es wurde erforderlich die neuen Teilchen, die man auch schon in der kosmischen Höhenstrahlung fand, zu katalogisieren, und zu sortieren. Und dann zeigten sich erste Zusammenhänge. So wurde von M. Gell-Mann 196427 vorgeschlagen, eine neue Teilchenklasse einzuführen, die Quarks, aus denen alle Hadronen zusammengesetzt sein sollen. Anfangs ging man von drei verschiedenen Quarks (up, down und strange) aus, aber mit der Zeit wurden drei weitere Quarks (charm, bottom und top) eingeführt, um weitere Teilchen erklären zu können. Es hat sich auch gezeigt, daß sich die Quarks in Gruppen zu je zwei Vertretern einsortieren lassen, diese Gruppen bilden mit den Fermionen Familien, so stehen das Upund Down-Quark dem Elektron und Elektronenneutrino gegenüber, so auch in den anderen Gruppen. Auch in einer anderen Richtung wurden durch die Teilchenbeschleuniger enorme Fortschritte erzielt. Seit die vier Grundkräfte (elektromagnetische Wechselwirkung, schwache- und starke Kernkraft und Gravitation) entdeckt wurden, versuchte man sie zu einer Urkraft zu vereinigen, allein die gleiche Struktur der Terme zur Berechnung der elektromagnetischen Wechselwirkung und der nichtrelativistischen Gravitation legen dies nahe. Aber die Vereinigung dieser beiden Kräfte blieb ohne Erfolg, da die Gravitation, wie durch Einstein gezeigt, eine völlig andere Struktur als der Elektromagnetismus hat. Danach ging man daran, die anderen Kräfte, die man inzwischen entdeckte, mit dem Elektromagnetismus zu vereinigen. Den ersten erfolgreichen Schritt zu einer Vereinigung vom Elektromagnetismus hat 195628 J. Schwinger durch die Vorstellung einer elektroschwachen Kraft getan. Die Idee war folgende, Elektromagnetismus und schwache Kernkraft sind zwei verschiedene Erscheinungsformen der gleichen Urkaft. Diese Theorie erforderte drei zusätzliche Teilchen, das W+, W- und das Z0 Teilchen. Das Z0-Teilchen wurde schließlich 198329 in CERN entdeckt. Es wurden auch die Wechselwirkungen zwischen Quarks untersucht, und festgestellt, daß Quarks niemals ungebunden auftreten können. Es war erst nicht klar wie dieser Einschluß zustande kommt. Daraus wurde eine neue Theorie aufgestellt, die Quantenchromodynamik, sie erklärt den Einschluß der Quarks durch eine Farbladung30. Diese Farbladung muß nach außen Weiß ergeben, z. B. im Proton das aus zwei Up-Quarks und ein Down-Quark (Rot+Blau+Grün=Weiß) besteht. Auch hier wurde versucht die starke Kernkraft mit der elektroschwachen Kraft zu verbinden, und es entstand die SU(5)-Theorie, die zu großen Teilen bereits bewiesen wurde. Alles in allem wurde durch die Teilchenbeschleuniger unser heutiges physikalisches Weltbild entscheidend mitgestaltet, aber auch außerhalb der Physik brachten die Teilchenbeschleuniger entscheidende Fortschritte, so zum Beispiel in der Medizin. Viele medizinische Geräte, wie Kernspintomographen und andere Meßapparaturen sind aus 27 28 29 30 Fraser, S. 60 Ebenda, S. 66 Bültel Rebbi, S. 78 15 den Forschungen um die Teilchenbeschleuniger entstanden, außerdem wurden viele neue intelligente Materialien entwickelt. Auch in der Zukunft werden uns die Teilchenbeschleuniger helfen, das Universum zu verstehen, und uns eine Antwort auf die Frage geben, wie Gott arbeitet. Zur Zeit werden neue Teilchenbeschleuniger gebaut oder alte Umgebaut, um noch höhere Energien zu erzeugen, denn je größer die Energie wird, desto kleiner werden die Strukturen, die man aufzeigen kann. 16 8. Schlußwort Die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger zu den heutigen Großanlagen, ist eine sehr spannende von Fehlentwicklungen und Irrtümern geprägte Geschichte. Es ist sehr spannend wie sich aus einfachen Kathodenstrahlröhren die ersten Beschleuniger aus diesen wiederrum die ersten Zyklotrone und Linearbeschleuniger, und später die großen Ringbeschleuniger die Synchrotrone. Teilchenbeschleuniger haben unser Weltbild revolutioniert, sie haben geholfen neuartige Materialien zu entwickeln und haben die Entwicklung von medizinischen Geräten möglich gemacht, die viel schonendere Behandlungsmethoden ermöglichen. 17 7. Literaturverzeichnis [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Bültel, Christian: Geschichte der Physik [Deutsch]. Internetadresse: http://medsun08.uni-muenster.de/~bultel/Geschi/PhysikGe.html, aufgerufen am 27.12.1999 Fraser, Gordon u.a.: The search for infinity, solving the mysteries of the Universe; George Philip Limited; 1998 Guratzsch, H.: Das Rossendorfer Zyklotron U-120 von 1958 bis heute. Internetadresse: http://www.fz-rossendorf.de/FWN/Ereignisse.d.html, aufgerufen am 28.12.1999 Kaiser, Walter: Rolf Wideröe, Doktorand Walter Rogowskis und Erbauer des ersten Linearbeschleunigers. Internetadresse: http://www.histech.rwthaachen.de/www/leute/kaiser/abstracts/wiederoe.htm, aufgerufen am 27.12.1999 Lucha, Wolfgang; Regler, Meinhard: Elementarteilchenphysik, Theorie und Experiment; Paul Seppl; Hufstein/Ebbs 1997 Rebbi, Claudio: Die Gitter-Eichtheorie: Warum Quarks gesperrt sind. In: Verständliche Forschung. 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