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Ausblick

Synchrotron

Beim Zyklotron durchlaufen die immer schneller werdenden Teilchen Bahnen mit immer größeren Radien. Dies bedeutet, dass man relativ ausgedehnte Magnetfelder benötigt, um die Teilchen zu führen. Für große Anlagen wäre der Materialaufwand für solch weit ausgedehnte Magnete nicht machbar. In sogenannten Ringbeschleunigern werden die Teilchen dagegen auf einer sehr eng begrenzten Bahn geführt, die mehrmals durchlaufen wird. Mit zunehmender Teilchenenergie muss die Stärke des Feldes der Führungsmagnete gesteuert werden, was einen erheblichen elektronischen Aufwand bedeutet. Die Beschleunigung der Teilchen erfolgt durch ein synchronisiertes, hochfrequentes elektrisches Wechselfeld.

Das folgende Bild zeigt den schematischen Aufbau eines Ringbeschleunigers:

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). Zur Zeit wird der Ringbeschleuniger für das neue LHC-Projekt (Large Hadron Collider) vorbereitet, bei dem Protonen mit je 7 TeV kinetischer Energie aufeinander geschossen werden. Man möchte hierbei neue Elementarteilchen, welche von den theoretischen Physikern vorhergesagt wurden, nachweisen.

Die folgenden Bilder sollen einen Eindruck von den Dimensionen der Anlage vermitteln:

Landschaft mit eingezeichnetem Ringbeschleuniger, der sich \(100\rm{m}\) unter der Erde befindet
An dieser Abbildung erkennt man gut den "grenzüberschreitenden" Beschleuniger
Beschleuniger-Tunnel: Ablenk- und Fokussierungsmagnete
zum Nachweis der bei Kollisionen entstehenden Teilchen sind riesige Detektoren nötig. Hier der CMS-Detektor (Compact Muon Solenoid)

Die Bausteine des LEP (Large Electron-Positron)-Beschleunigers (schematische Darstellung)

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

  • Focusing Magnet: Magnet, der den auseinanderlaufenden Teilchenstrahl wieder zusammenführt (ähnlich wie die Sammellinse beim Licht).

  • 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