Teilchenbeschleuniger

Ein Teilchenbeschleuniger oder kurz Beschleuniger dient dazu, elektrisch geladene Elementarteilchen auf sehr hohe kinetische Energien zu bringen. Dabei kommen ihre Geschwindigkeiten der Lichtgeschwindigkeit so nahe, dass die Formeln der Relativitätstheorie angewendet werden müssen (man spricht auch von relativistischen bzw. ultrarelativistischen Teilchen).

Man unterscheidet je nach Aufbau Linear- und die Kreisbeschleuniger:

• Bei einem Linearbeschleuniger sind mehrere Beschleunigungsstrecken auf einer geraden Linie hintereinander angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass keine Verluste durch Synchrotronstrahlung auftreten, und den Nachteil, dass die Anlage nur einmal durchlaufen werden kann. Der größte Linearbeschleuniger der Welt ist das Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in Stanford/Kalifornien. In Deutschland gibt es u. a. die Anlage FLASH/European XFEL in Hamburg, die als Röntgenlaser betrieben wird.
• Bei einem Kreisbeschleuniger durchlaufen die Teilchen eine mehr oder weniger kreisförmige Strecke sehr viele Male, sodass die Länge der Beschleunigungsstrecke wesentlich weniger von den Abmessungen der Analge abhängt als beim Linearbeschleuniger. Der Nachteil ist, dass die Teilchen auf einer Kreisbahn auch dann Synchrotronstrahlung abgeben, wenn sie nur relativ schwach in Vorwärtsrichtung beschleunigt werden. Darum werden moderne Beschleuniger mit sehr großen Radien gebaut, damit die Krümmung der Bahn möglichst klein wird (der LHC-Speicherring am CERN in Genf hat einen Radius von 4,5 km).
  Der älteste Typ des Kreisbeschleunigers ist das Zyklotron. Es besteht aus zwei D-förmigen, hohlen Elektroden, innerhalb derer ein Magnetfeld B die Teilchen auf Kreisbahnen führt (Lorentz-Kraft). Im Spalt zwischen den Elektroden liegt eine hochfrequente Wechselspannung an, welche die Teilchen nach jedem Halbkreis in den Elektroden beschleunigt; der jeweils nächste Durchlauf durch eine der Hohlelektroden erfolgt daher mit einem etwas größeren Radius. Durch Gleichsetzen von Lorentz- und Zentripetalkraft erhält man die vom Bahnradius unabhängige Umlauffrequenz, die Zyklotronfrequenz f_Z (sie entspricht der Frequenz des beschleunigenden Hochfrequenzfelds):
  \(f_\text Z = \dfrac {Q\cdot B}{ 2\pi \cdot m \cdot c }\)
  (Q, m: Ladung und Masse des Teilchens, c Lichtgeschwindigkeit, B: Magnetfeld).
  Diese Gleichung gilt allerdings nur, wenn man die relativistische Massenzunahme vernachlässigt. In der Praxis muss man die Beschleunigungsspannung mit der anwachsenden Teilchenmasse „snychronisieren“. Beschleuniger, die dies leisten, nennt man daher Synchrotrons. Diese bestehen heute nicht mehr aus D-förmigen Elektroden, sondern haben über den gesamten Umlauf verteilte Beschleunigungsstrecken.

Um mit den beschleunigten Teilchen zu experimentieren, nutzt man im Wesentlichen zwei Verfahren: Entweder lässt man sie auf eine ruhende Probe treffen (das sog. Target), oder man lässt Teilchenpakete aus zwei in entgegengesetzte Richtung beschleunigten Strahlen aufeinanderprallen; dieser Anlagentyp heißt Collider (von engl. to collide „zusammenstoßen“). Haben die wechselwirkenden Teilchen die gleiche Ruhemasse, so steht bei einem Collider doppelt so viel Energie zur Verfügung wie bei einem festen Target.