Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?
Ein Teilchenbeschleuniger ist ein physikalisches Gerät, das elektrische Felder verwendet, um geladene Teilchen auf immense Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die manchmal einen erheblichen Teil der Lichtgeschwindigkeit ausmachen. Übliche Teilchen in Teilchenbeschleunigern sind Protonen und Elektronen, die Bausteine des Atoms.
Ein Teilchenbeschleuniger wird zur Beobachtung des Verhaltens kleiner Teilchen bei hohen Geschwindigkeiten und Energien sowie für alltägliche Zwecke wie die Erzeugung einer bestimmten Art elektromagnetischer Strahlung verwendet. Teilchenbeschleuniger werden oft verwendet, um Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten gegeneinander zu zerschlagen, wobei ihre grundlegenderen Komponenten offenbart werden. Der Röntgengenerator und das Fernsehgerät sind übliche Beispiele für Teilchenbeschleuniger, die im Prinzip so aufgebaut sind wie ihre größeren Verwandten, die für Experimente in der Hochenergiephysik verwendet werden. Ein Teilchenbeschleuniger fällt in eine von zwei Kategorien: kreisförmig oder linear.
In einem kreisförmigen Teilchenbeschleuniger werden Teilchen auf einer kontinuierlichen Kreisbahn beschleunigt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Partikel viele Male in einem Kreis gelenkt werden kann, wodurch Hardware eingespart wird. Der Nachteil ist, dass Teilchen in Kreisbeschleunigern elektromagnetische Strahlung, sogenannte Synchrotronstrahlung, emittieren. Da sie durch ihren Impuls ständig dazu angeregt werden, auf einer zum Kreis tangentialen Flugbahn auszufliegen, muss kontinuierlich Energie aufgewendet werden, um sie auf der Kreisbahn zu halten, was bedeutet, dass kreisförmige Teilchenbeschleuniger weniger effizient sind. In großen Beschleunigern ist die Synchrotronstrahlung so stark, dass der gesamte Beschleuniger unter der Erde vergraben werden muss, um die Sicherheitsstandards aufrechtzuerhalten. Der Fermilab-Teilchenbeschleuniger in Illinois hat eine Kreisbahn von 6,43 km.
Linearbeschleuniger feuern Partikel in gerader Linie auf ein festes Ziel ab. Die Kathodenstrahlröhre in Ihrem Fernseher ist ein energiearmer Teilchenbeschleuniger, der Photonen im sichtbaren Lichtbereich auf eine Glasplatte, den Bildschirm, abfeuert. Der Photonenstrom wird ständig umgeleitet, um den Bildschirm mit Pixeln zu füllen. Diese Umlenkung erfolgt so schnell, dass wir den alternierenden Photonenstrom als kontinuierliches Bild wahrnehmen.
Hochenergie-Linearbeschleuniger ( Linacs ) werden in der Physik eingesetzt. Eine Reihe von Platten zieht abwechselnd die geladenen Teilchen an, stößt sie zurück und zieht sie nach vorne, wenn sie noch nicht daran vorbeigekommen sind, und schiebt sie dann wieder weg. Auf diese Weise können elektrische Wechselfelder verwendet werden, um Teilchenströme auf sehr hohe Geschwindigkeiten und Energien zu beschleunigen. Mit diesen Beschleunigern simulieren Physiker exotische Zustände, etwa im Zentrum von Sternen oder am Beginn des Universums. Der vom Standardmodell der Teilchenphysik beschriebene "Teilchenzoo" wurde in Teilchenbeschleunigerexperimenten inkrementell aufgedeckt. Der größte lineare Teilchenbeschleuniger ist der Stanford-Linearbeschleuniger mit einer Länge von 3,2 km.