Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

51 22.1 Streuung als Mittel zur Strukturforschung Im Gegensatz zu Ringbeschleunigern treten beim Linearbeschleuniger keine Strahlungsverluste in Form von Synchrotronstrahlung auf, und es sind keine Bahnmagnete notwendig. Bei Ringbeschleunigern lenken einige tausend Ab- lenkmagnete elektrisch geladene Teilchen auf eine kilometerlange Bahn ab. Bei einigen 10 000 Umläu- fen werden die Teilchen von zahlreichen Beschleuni- gungseinheiten auf nahezu Lichtgeschwindigkeit (bis ca. 1 TeV) beschleunigt. Zusätzliche Fokussiermag- nete engen den Teilchenstrahl auf etwa 1 cm Durch- messer ein. Ringbeschleuniger haben den Vorteil, dass die Be- schleunigungseinheiten immer wieder von den Teil- chen durchlaufen werden. Dem stehen auch Nachtei- le gegenüber: Durch die Zentripetalbeschleunigung strahlen die Teilchen charakteristische elektromagne- tische Wellen ab („Synchrotronstrahlung“). Weiters sind sehr starke Bahnmagnete (Magnetfeld- stärken bis zu 8 Tesla!) notwendig, um die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umlaufenden Teilchen auf eine Kreisbahn ablenken zu können. Um den Energieein- satz dafür möglichst gering zu halten, werden Kreis- bahnen mit Radien bis zu 4 Kilometern) und supralei- tende Magnetspulen eingesetzt. Detektoren In den Kollisionspunkten („Fireballs“) stoßen pro Se- kunde bis zu 800 Millionen Teilchen zusammen. Die Kollisionsprodukte sind im Allgemeinen extrem kurz- lebige, rasch bewegte Elementarteilchen. Ihre Eigen- schaften können nur mit Hilfe von riesigen Detekto- ren untersucht werden, die große Datenmengen in kurzer Zeit aufnehmen können. Um möglichst viel Informationen sammeln zu können, erzeugen diese Detektoren sehr starke Magnetfelder, in denen die elektrisch geladenen Teilchen auf Kreisbahnen abge- lenkt werden. ZumVermessen der Teilchen werden im Allgemeinen folgende Detektortypen eingesetzt: 22.1.3 Abb. 51.1 Der große Hadronkollider (Large Hadron Collider, LHC; im CERN bei Genf) wurde in den Tunnel des LEP (stillgelegter e + e – Collider mit 27 km Umfang) eingebaut. Zwei gegenläufige Protonenstrahlen prallen mit einer Energie von je 4 TeV aufein- ander. An den Kollisionspunkten befinden sich die vier großen Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb. Wegen der beim Betrieb auftretenden Strahlung ist die ganze Anlage etwa 100 m unterhalb der Erdoberfläche aufgebaut. Detektor Verwendung Teilchenspurdetektoren Beobachtung von Kollisio- nen, Messung der Teilchen- energien Szintillationszähler Teilchennachweis, Energie- bestimmung Kalorimeter Absorbieren Teilchen und messen ihre Energie Drähte geladenes Teilchen Ausgangssignale Abb. 51.2 Moderne Teilchenspurdetektoren bestehen aus einer großen Anzahl parallel gespannter Drähte, die jeweils abwechselnd an hohe Spannung bzw. auf elektrische Masse gelegt werden. Tritt ein elektrisch geladenes Teilchen durch die gasgefüllten Kammern, so werden Gasmoleküle ionisiert, die zu den nächstgelegenen Drähten driften ( „Drahtdriftkammer“ ). An den Drähten entstehen elektrische Signale, die mit Hilfe von Computern in Teilchenbahnen umgerechnet werden. Die Höhe der Spannungssignale ist der abgegebenen Energie des Teilchens proportional. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv