Sexl Physik 8, Schulbuch

105 | 105.1 Das Gelände des CERN liegt auf Schweizer und französischem Gebiet. Der erste Beschleuniger, das Protonsynchro- tron (PS) wurde oberirdisch gebaut, das Superprotonsynchrotron (SPS) und LEP/LHC (Large Electron Positron / Hadron Collider) unterirdisch. Österreich beteiligt sich am CERN-Budget mit 20 Mill. € pro Jahr. -- -- -- -- Quelle Teilchenpaket Strahl 105.2 Linearbeschleuniger schematisch: Aus der Quelle treten geladene Teilchen aus. Sie werden zwischen den Zylinderelektroden durch eine hochfrequente Wechselspannung beschleunigt. Die Spannung polt sich im pas- senden Takt um, so dass die kinetische Energie der Teilchen zunimmt. p Protonen Ionen Booster Proton Ion Linacs PS SPS LHC 105.3 Eine Reihe von Beschleunigern ist für das Füllen des LHC (Large Hadron Collider) mit Protonen notwendig, bis sie schließlich bis auf 7000 GeV Energie gebracht werden. Seit 2010 kolllidieren im LHC Protonen in vier großen Detektoren und erzeugen neue Teilchen. 105.4 Der ATLAS-Detektor am LHC im Aufbau. Zu sehen sind die Magnetspulen (rotgestreift) und das Traggerüst, das noch mit Detektoren gefüllt wird. In der Mitte des Detektors kollidieren die Protonen. Der Detek- tor ist 22 m hoch/breit, 45 m lang und wiegt 7000 t! 2.2 Beschleuniger und Detektoren Um die Struktur von Elektronen, Protonen, Neutronen und Atomkernen zu unter- suchen, schießt man diese Objekte aufeinander. Dabei kann es zu elastischen Stö- ßen kommen, bei denen die Stoßpartner unverändert bleiben. Viel häufiger sind unelastische Stöße , bei denen die Stoßpartner verändert werden und meist neue Teilchen erzeugt werden. Man versucht, aus den Endprodukten Schlüsse über die Struktur der Objekte und die wirkenden Kräfte zu ziehen. Dabei hat sich gezeigt, dass Proton und Neutron zusammengesetzte Teilchen sind und einen Radius von rund 10 –15 m haben. Das Elektron hat sich bisher als punktförmig erwiesen, jedenfalls ist es kleiner als 10 –18 m . Um die Stoßpartner auf weniger als 10 –15 m einander nahezubringen, müssen sie hohe kinetische Energie besitzen. Dazu dienen Beschleuniger , in denen geladene Teilchen durch elektrische Felder beschleunigt werden. Die Teilchenenergie nimmt proportional zur durchlaufenen elektrischen Spannung zu. Linearbeschleuniger Geladene Teilchen, Elektronen oder Protonen, werden in einem geraden evaku- ierten Rohr durch viele hintereinander geschaltete Hochspannungsstrecken be- schleunigt ( 105.2 ). Die größte Anlage dieser Art von 3,2 km Länge wurde 1966 in Stanford (USA) gebaut. Elektronen wurden auf eine Energie von 20 GeV gebracht und auf ein Target (engl. für „Ziel“) aus flüssigem Wasserstoff oder Deuterium ge- schossen. Wie beim Rutherford’schen Experiment schloss man aus den Streuwin- keln, dass Proton und Neutron punktförmige Bestandteile, die Quarks, enthalten. Zirkularbeschleuniger Indem man die Beschleunigungsstrecken in einem Kreis anordnet, können sie viel- mals durchlaufen werden. Führungsmagnete halten die Teilchen auf der Kreis- bahn. Während der Beschleunigung der Teilchen muss das Magnetfeld anwachsen, damit der Bahnradius gleich bleibt ( Synchrotron ). Dadurch sind höhere Energien als in Linearbeschleunigern möglich. Die größte Anlage dieser Art ist derzeit der Large Hadron Collider (LHC) am Eu- ropäischen Forschungszentrum CERN in Genf. In einem Tunnel von 27 km Länge werden in zwei Vakuumrohren gegenläufig Protonen auf bis 7000 GeV Energie be- schleunigt. Die Teilchenstrahlen kreuzen einander in riesigen Detektoren, in denen die Kollisionen registriert werden ( 105.3 ). Die Anlage ist eine technische Meisterleistung: Das Vakuum in den Strahlrohren ist zehnmal besser als am Mond. Die mehr als 2000 supraleitenden Magnete wer- den mit flüssigem Helium auf –271 o C gekühlt. Die Protonenstrahlen sind 16 µm dick. Detektoren In den Detektoren werden die Bahnen aller geladenen Teilchen, die bei den Zu- sammenstößen, den Ereignissen, entstehen, registriert. Ein starkes Magnetfeld im Inneren des Detektors krümmt die Teilchenbahnen je nach der Ladung und dem Impuls der Teilchen. Tausende elektronische Zähler (ähnlich dem Geiger-Müller- Zähler) registrieren die Teilchenbahnen, woraus die Energien und Impulse der Teil- chen berechnet werden. Die Daten werden zur automatischen Auswertung direkt an Computer übermittelt. Die Entscheidung, ob ein Ereignis aufgezeichnet werden soll, wird automatisch getroffen. Kurzlebige neutrale Teilchen können durch ihre geladenen Zerfallsprodukte erfasst werden. Die Entwicklung und Wartung der De- tektoren, die Programmierung, die Datenauswertung und die Interpretation der Ergebnisse erfolgen arbeitsteilig durch große Arbeitsgruppen, deren Mitglieder in Forschungsinstituten verschiedener Länder beheimatet sind ( 105.4 ). Untersuche, überlege, forsche: Informationen zum LHC 104.1 Unter der Webadresse http://www.lhc-facts.ch sind aktuelle Informationen zum Betrieb des LHC und Informationen über die einzelnen Beschleuniger und Detektoren zu finden. Finde heraus, wie die Beschleunigung von der Ionenquelle, in der die Wasser- stoffionen (Protonen) erzeugt werden, bis zum Erreichen der Endenergie erfolgt. Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv