Teilchenbeschleuniger: Funktion und Energie

Ein Teilchenbeschleuniger ist eine Anlage, die geladene Teilchen wie Elektronen oder Protonen mit elektrischen Feldern auf hohe Geschwindigkeit und Energie bringt. Magnetfelder halten die Teilchen dabei auf Kurs. Mit den schnellen Teilchen lassen sich Atomkerne und ihre Bausteine untersuchen, Krebs behandeln oder Materialien analysieren.

Das Grundprinzip hast du schon kennengelernt: Ein geladenes Teilchen im elektrischen Feld erfährt eine Kraft und nimmt kinetische Energie auf. Genau das passiert in einer Elektronenröhre, wie sie früher im Röhrenfernseher steckte, nur in kleinem Maßstab. Bei großen Beschleunigern durchlaufen die Teilchen viele solcher Beschleunigungsstrecken nacheinander, damit die Energie Schritt für Schritt wächst.

Wozu braucht man so viel Aufwand? In der Teilchenphysik lässt man schnelle Teilchen aufeinander oder auf ein Ziel prallen. Aus der Bewegungsenergie können dabei neue Teilchen entstehen. So fanden Forscher am Large Hadron Collider des CERN 2012 das Higgs-Teilchen. Wer winzige Strukturen sehen will, braucht Teilchen mit hoher Energie, ähnlich wie ein Mikroskop mit kurzwelligem Licht feinere Details erkennt.

Am Anfang steht eine Teilchenquelle. Elektronen löst man aus einem heißen Draht, Protonen gewinnt man, indem man Wasserstoffatome ionisiert. Danach folgen Beschleunigungsstrecken mit elektrischen Feldern. Bei Linearbeschleunigern fliegen die Teilchen geradeaus durch viele aufeinanderfolgende Metallröhren, an denen die Spannung im richtigen Takt wechselt. Jede Lücke gibt ihnen einen weiteren Schub.

Damit eine Anlage nicht unendlich lang werden muss, lenkt man die Teilchen im Kreis. Dafür sorgt die Lorentzkraft: Auf ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld wirkt eine Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung. Sie ändert nur die Richtung, nicht den Betrag der Geschwindigkeit. Die Bahn wird zum Kreis mit dem Radius r gleich m mal v geteilt durch q mal B. Bei einem Ring laufen die Teilchen immer wieder durch dieselben Beschleunigungsstrecken.

Am Ende treffen sie auf ein festes Ziel oder auf einen Gegenstrahl. Die dabei entstehenden Teilchen fliegen in alle Richtungen und werden von Detektoren vermessen, die wie riesige Kameras aufgebaut sind. Alle Teile müssen im Hochvakuum arbeiten, damit die Teilchen nicht an Luftmolekülen streuen. Aus den Spuren schließen Physiker, was bei der Kollision geschehen ist.

Der häufigste Fehler lautet: Das Magnetfeld beschleunigt die Teilchen. Das stimmt nicht. Die Lorentzkraft steht immer senkrecht zur Bewegung und leistet deshalb keine Arbeit. Das Magnetfeld lenkt und bündelt, die Energie liefert immer das elektrische Feld. Wer das vertauscht, versteht den Ring nicht.

Der zweite Fehler betrifft die Einheiten. Elektronenvolt ist eine Energie und keine Spannung. Wer 5 kV mit 5 keV verwechselt, übersieht, dass die Energie das Produkt aus Ladung und Spannung ist. Auch die Vorsätze muss man sauber umrechnen: 1 MeV sind 10⁶ eV, nicht 10³. Beim Umrechnen in Joule multiplizierst du mit 1,602 mal 10 hoch minus 19.

Der dritte Fehler: Bei hohen Energien wächst die Geschwindigkeit immer weiter. Tatsächlich nähert sie sich der Lichtgeschwindigkeit nur an. Protonen im LHC haben das über 7 000-Fache ihrer Ruheenergie, ihre Geschwindigkeit liegt trotzdem nur einen Bruchteil eines Millionstels unter der des Lichts. Zusätzliche Energie macht die Teilchen schwerer im Sinne der Relativitätstheorie, aber kaum noch schneller.

Beschleuniger sind nicht nur Riesenanlagen für die Forschung. Die meisten der weltweit mehr als 30 000 Beschleuniger arbeiten in Medizin und Industrie. In der Strahlentherapie bekämpfen Linearbeschleuniger Tumoren, Zyklotrons liefern Stoffe für die PET-Untersuchung, und in der Materialprüfung durchleuchten Röntgenquellen Bauteile. Die Röntgenröhre beim Zahnarzt ist ebenfalls ein kleiner Elektronenbeschleuniger.

In der Teilchenphysik dienen Beschleuniger dazu, kleinste Bausteine der Materie zu erforschen. Je höher die Energie, desto kleinere Strukturen erkennt man und desto schwerere Teilchen können entstehen. Aus der Energie wird nach der berühmten Formel E gleich m mal c² Masse. So erzeugt man in Kollisionen Teilchen, die in der Natur nur in den ersten Sekundenbruchteilen des Universums vorkamen.

Für die Klassenarbeit merkst du dir: E gleich q mal U, Elektronenvolt in Joule umrechnen, bei kleinen Energien die Geschwindigkeit aus ½ m v² bestimmen. Für Kreisbahnen gilt r gleich m v durch q B, und die Zyklotronfrequenz f gleich q B durch 2π m ist unabhängig vom Radius. Und wenn gefragt wird, was Magnete tun: Sie lenken, sie beschleunigen nicht.