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Teilchenbeschleuniger


Physik


Basiswissen


Ein Teilchenbeschleuniger bringt submikroskopische Teilchen wie Protonen, Heliumkerne oder Elektronen auf sehr hohe Geschwindigkeiten. Man unterscheidet zwei grundlegende Bauformen: Linearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger.

Linearbeschleuniger


Die immer elektrisch gelandenen Teilchen werden entlang einer geraden Strecke - einer Linie - beschleunigt. Da die Teilchen keine Bögen fliegen, entstehen auch keine Fliehkräfte, was für eine vergleichsweise einfache Bauweise spricht. Der Nachteil ist, dass nach einem einmaligen Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke keine weitere Beschleunigung mehr möglich ist. Beispiele für Linearbeschleuniger sind:


Kreisbeschleuniger


Die immer elektrisch geladenen Teilchen werden auf einer kreisähnlichen Bahn mehrfach hintereinander beschleunigt. Der Vorteil ist, dass durch wiederholte Durchläufe mehrfach hintereinander beschleunigt werden kann. Der Nachteil ist, dass man mit oft hohem baulichen oder auch rechnerischem Aufwand über Magnetfelder die entstehenden Fliehkräfte abfangen muss. Beispiele sind:


Das Problem mit der Relativitätstheorie


Wenn die beschleunigten Teilchen sehr schnell werden, zum Beispiel 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen, dann werden sogenannte relativistische Effekte im Sinne der Theorie von Albert Einstein sehr stark. Zwischen zwei Ereignissen liegen aus Sicht des Teilchens andere Entfernungen und andere Zeitdauern als aus Sicht eines Beobachters im Labor. Das wird zum Beispiel berücksichtigt in einem Synchrotron ↗

Wozu dienen Teilchenbeschleuniger in der Forschung?


Hier ist es oft das Ziel, durch Kollisionen möglichst kleine Bruchteile zu erzeugen, die man dann weiter untersucht. Je größer die Bewegungsenergie der aufeinanderprallenden Teilchen, desto weiter werden sie oft aufgebrochen. So werden am LHC bei Genf Protonen über 20 Minuten beschleunigt und erreichen am Ende 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. Lässt man dann solche Protonen aufeinanderprallen entstehen sehr viele verschiende Bruchstücke die detektiert und dann interpretiert werden. Lies mehr unter Teilchenphysik ↗

Welche praktische Anwendungen haben Teilchenbeschleuniger?


Zyklotrone beispielsweise werden in der Nuklearmedizin eingesetzt. Bei vielen Diagnoseverfahren werden dem Patienten radioaktive Substanzen injiziert, die dann über bildgebende Verfahren Einblicke in das Körperinnere erlauben. Da die verwendeten Substanzen eine sehr geringe Halbwertszeit haben, können sie nicht über lange Strecken transportiert werden. Stattdessen werden sie vor Ort erzeugt, unter anderem mit einem Zyklotron in der Nuklearmedizin ↗

Fußnoten