Teilchenbeschleuniger

 

Was ist ein Teilchenbeschleuniger?

Als Teilchenbeschleuniger bezeichnet man eine Maschine, deren Aufgabe es ist, Teilchen auf extrem hohe Energien zu beschleunigen. Die beschleunigten Teilchen sind Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen, in speziellen Experimenten auch ganze Atome (Schwerionen).

In modernen Beschleunigern erreichen die Teilchen sehr schnell annähernd Lichtgeschwindigkeit, das sind etwa eine Milliarde km/h (genauer 299.792,458 km/s). Einstein sagt mit seiner Relativitätstheorie voraus, dass diese Geschwindigkeit von Teilchen nicht überschritten, und auch nur von masselosen Teilchen genau erreicht werden kann. Diese Vorhersage bestätigt sich im Teilchenbeschleuniger: ist die Lichtgeschwindigkeit erstmals (annähernd) erreicht, kann zwar die Bewegungsenergie des Teilchens noch weiter gesteigert werden, die Geschwindigkeit ändert sich aber kaum noch. Als Faustregel kann man daher sagen, dass Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger praktisch auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, stärkere Teilchenbeschleuniger unterscheiden sich von schwächeren hauptsächlich in der Bewegungsenergie der beschleunigten Teilchen.

Als Einheit der Energie - und damit als Maß für die Stärke eines Beschleunigers - verwendet man das Elektronenvolt (eV). Ein Gigaelektronenvolt (1 GeV = 1 Milliarde eV) entspricht nach E=mc² ziemlich genau der Masse eines Protons. Moderne Beschleuniger erreichen Energien von einigen GeV bis zu über zehntausend GeV. Der modernste und größte Beschleuniger der Welt, der LHC, beschleunigt Protonen mittlerweile auf 13000 GeV (=13 TeV, Teraelektronenvolt).

 

Arten von Teilchenbeschleuniger

• mit geradliniger Beschleunigung: 
  Van-de-Graaff-Beschleuniger, Pelletron, Tandembeschleuniger, Walton-Beschleuniger, Dynamitron, Linearbeschleuniger, Kielfeld-Beschleuniger
   
• mit zyklischer Beschleunigung (auf spiralartiger oder rosettenförmiger oder ringförmig geschlossener Bahn): 
  Betatron, Zyklotron, Mikrotron, Synchrotron, Speicherring, Rhodotron

 

CERN

Im weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) in Genf an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz wird mit einem sehr großen Ringbeschleuniger versucht, den Ursprung der Materie zu verstehen.

Bis zum Jahr 2000 wurden mit dem Ringbeschleuniger von ca. 27 km Umfang Elektronen und Positronen aufeinander geschossen (LEP-Projekt).  Im neuen LHC-Projekt (Large Hadron Collider) kreisen zwei Strahlen aus Teilchen – Protonen oder Ionen. Die gegenläufigen Teilchenstrahlen treffen mit hoher kinetischer Energie aufeinander, dabei werden Zustände wie unmittelbar nach dem Urknall erreicht. Man möchte hierbei neue Elementarteilchen, welche von den theoretischen Physikern vorhergesagt wurden, nachweisen. Dafür haben sie spezielle Detektoren entwickelt, die in unterirdischen Hallen an vier Stellen entlang des Tunnels installiert sind.

                             

           Landschaft von Cern (Ringbeschleuniger befindet sich 100m unter der Erde)                                                                              CERNs Beschleunigerkomplex

 

                                                                                  

                                 Teilchenbeschleuniger LHC (Detektor)                                                                                                                                            Beschleuniger-Tunnel

 

Die Bausteine des Beschleunigers

• Injection: Einschuss der Teilchen, die meist in einem Vorbeschleuniger auf eine bestimmte Anfangsenergie gebracht wurden.

• Focusing Magnet: Magnet, der den auseinanderlaufenden Teilchenstrahl wieder zusammenführt 

• Accelerating Cavity: Beschleunigungseinheit, die mit hochfrequenten elektrischen Feldern betrieben wird.

• Bending Magnet: Ablenkmagnet, der die Teilchen so führt, dass sie nicht an die Innenwand der Vakuumröhre stoßen.

• Vacuum Chamber: Vakuumröhre

• Collisions: Zusammenstöße

 

Teilchenbeschleuniger live status:

http://www.lhc-facts.ch/

 

 

 

ATLAS Detector

ATLAS ist ein Detektoren zur Untersuchung von Proton-Proton-Kollisionen, das gesamte Entdeckungspotential liegt bei Schwerpunktsenergie von 14 TeV.  Der Detektor hat einen Durchmesser von 25 m und eine Länge von 46 m. Von innen nach außen folgen Bereiche der Messung von Richtung und Impuls geladener Spuren, der Energie- und Richtungsmessung von Photonen, Elektronen und Jets im Kalorimeter und der Impulsmessung von Myonen im Myonspektrometer. Neueste, strahlungsharte Technologien mit hervorragender Orts- und Energieauflösung und extrem hoher Zuverlässigkeit sind unabdingbare Voraussetzungen für die vorgesehenen Messungen am LHC.

Quelle: CERN

 

Bei den LHC-Experimenten liefern rund 150 Millionen Sensoren vierzig Millionen Mal pro Sekunde Daten. Nach einer ersten Aussortierung weniger wichtiger Ereignisse verbleiben immer noch hundert Zusammenstöße pro Sekunde, die für die Wissenschaft von Interesse sind.

Das Datenaufkommen aller vier Experimente zusammen beträgt ungefähr 700 Megabyte pro Sekunde. Das sind etwa 15 Millionen Gigabyte pro Jahr – auf CDs gebrannt würde dies einem Stapel von zwanzig Kilometern Höhe entsprechen.

Diese Datenflut muss tausenden Physikern auf der ganze Welt zu Analysezwecken zur Verfügung gestellt werden. Dazu wurde eine eigene Infrastruktur zur Datenspeicherung und -analyse entwickelt, das LHC Computing Grid.

 

 

 

Weitere Interessante Links:

Russe wird vom  Strahl des Teilchenbeschleunigers getroffen

 

Links

https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/experimente/teilchenbeschleuniger/lhc/lhc-faq/#Entsteht_Radioaktivitt (Fragen/ Antworten)

https://home.cern/ (Webseite Cern)