Da ich so langsam auch mal bei dem ankommen möchte, was wir so an Experimenten an COSY machen, will ich diesen Beitrag dazu nutzen ein wenig darauf einzugehen, wie denn ein Beschleuniger funktioniert. Und weil ich selbst kein Beschleunigerphysiker bin, sondern mich besser mit Teilchendetektoren und Streuexperimenten auskenne, verspreche ich, dass das ganze auch nur unwesentlich komplizierter wird als Bömmels Erklärung der „Dampfmaschin“. Experten mögen mir meine starken Vereinfachungen verzeihen.

Die Frage, die sich hier als erstes stellt, ist wieso man denn überhaupt Teilchenbeschleuniger in der Physik braucht. Im Wesentlichen verfolgt man damit zwei Ziele:

  • In der Quantenmechanik lässt sich jedes Teilchen auch als Welle beschreiben. Dabei hängt die Wellenlänge von der Energie des Teilchens ab: je höher die Energie, desto kleiner die Wellenlänge. Einen hochenergetischen Teilchenstrahl kann ich daher wie einen Lichtstrahl im Mikroskop dazu benutzen um in Streuexperimenten die Struktur von Materie zu untersuchen – und je kleiner die zugeordnete Wellenlänge ist, desto feiner kann ich die Strukturen auflösen.
  • Nach Einstein sind Energie und Masse äquivalent. Wenn ich hochenergetische Teilchen mit anderen Teilchen kollidieren lasse, dann kann ein Teil der Energie in neue Teilchen umgewandelt werden. Diese neuen Teilchen sind (meist) nicht stabil und zerfallen sofort wieder – in unseren Detektoren kommen dann die Zerfallsprodukte an, anhand derer die erzeugten Teilchen identifiziert werden können. Dies ist die einzige Möglichkeit hier auf der Erde solche kurzlebigen Teilchen zu untersuchen. Darüber hinaus sucht man auch nach neuen, bisher unbekannten Teilchen, einerseits um zu überprüfen ob unsere Vorstellung der Welt vollständig ist, andererseits um neue Theorien anhand ihrer Vorhersagen zu überprüfen. Als Beispiel sei hier die Entdeckung des Higgs-Teilchen am CERN genannt.

Bis vor kurzem haben wir solche Fragestellungen auch an COSY verfolgt. Mit der Suche nach elektrischen Dipolmomenten hat sich das geändert und anstatt die Wechselwirkungen des Strahls mit anderer Materie zu untersuchen, benutzen wir nun den Teilchenstrahl selbst um den Aufbau der Welt besser zu verstehen – lediglich für die Bestimmung der Polarisation des Strahls nutzen wir noch ein Streuexperiment.

Elektrisch geladene Teilchen beschleunigt man, indem man sie in ein elektrisches Feld setzt, z.B. zwischen die beiden Platten eines Plattenkondensators. Positiv geladene Teilchen werden von der Platte angezogen, die mit dem Minus-Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, negativ geladene von der anderen. Wenn man nun die entsprechende Platte mit einem Loch an der Stelle versieht, an denen die Teilchen auftreffen würden, hat man eine einfache Teilchenkanone. Die Energie, die dabei von den Teilchen als Bewegungsenergie aufgenommen wird, ist proportional zur Spannungsdifferenz, die zwischen den Platten anliegt und der Ladung des Teilchens. Daher messen wir die Energie eines Teilchen auch meist in einer Einheit, die aus der Elementarladung e (jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches dieser Elementarladung) und der Spannung in Volt gebildet wird: das Elektronenvolt (eV) – das Elektron ist mit einer dieser Elementarladungen negativ geladen, das Proton ist einfach positiv geladen. Beschleunigt man ein Proton nun mit 1 Million Volt, hat es eine Energie von 1 Million eV – oder kurz 1 MeV (Mega-Elektronenvolt). Zum Vergleich: der Large Hadron Collider am CERN erzeugt gegenläufige Teilchenstrahlen mit jeweils 7 TeV, was einer Beschleunigungsspannung von 7 Billionen Volt entspricht.

Für sehr große Energien müsste man im Prinzip auch solche sehr große Spannungen anlegen. Diese kontinuierlich bereit zu stellen hat Grenzen. Eine Lösung dieses Problems ist es, das gleiche Teilchen mehrmals durch die gleiche Spannungsdifferenz fliegen zu lassen – bei jedem Durchflug kommt dann die entsprechende Energie immer wieder dazu. Damit das funktioniert, muss das Teilchen auch wieder zurückgeführt werden. Das passiert i.d.R. auf dem Prinzip, dass ein geladenes, bewegtes Objekt in einem homogenen Magnetfeld eine Kreisbahn beschreibt. Nun erzeugt man aber kein einziges, großes Magnetfeld, sondern immer nur Stücke eines Magnetfeldes entlang der Bahn die das Objekt nehmen soll: damit ist der Grundaufbau eines Beschleunigerringes wie COSY aus einzelnen (Dipol-)Magneten vorgegeben. Zusätzlich wird an die kurze Beschleunigungsstrecke eine Wechselspannung angelegt, die so eingestellt ist, dass immer die richtige (d.h. beschleunigende) Spannung anliegt, wenn das Teilchen hindurchfliegt. Beim Betrieb muss man im Wesentlichen auf zwei Dinge achten: da das Teilchen immer schneller wird, muss das Magnetfeld kontinuierlich so erhöht werden, dass der Radius der Teilchenbahn derselbe bleibt – und analog muss die Frequenz der Wechselspannung erhöht werden, da die Zeit zwischen zwei Durchläufen immer kleiner wird. Beides geschieht synchron zueinander und zur Energie des Teilchen. Daher heißt ein solcher Beschleuniger auch Synchrotron.

Überblick über die COSY Anlage (Bild: Forschungszentrum)

Überblick über die COSY Anlage (Bild: Forschungszentrum)

Das Bild oben gibt einen Überblick über COSY. Hier werden Protonen und Neutronen in einem kleinen Vorbeschleuniger (einem sogenannten Zyklotron) auf eine gewisse Energie gebracht und dann in den COSY Ring eingeschossen. COSY hat einen Umfang von etwa 180 m und kann Protonen auf etwa 2.7 GeV (2.7 Milliarden eV) und Deuteronen auf etwa 2.1 GeV beschleunigen. Der Unterschied in der Maximalenergie liegt daran, dass Deuteronen schwerer sind und bei gleicher Energie größere Magnetfelder benötigt würden: das maximale mögliche Magnetfeld bestimmt die maximale Energie. Außer aus den Dipolmagneten (rot), die die Teilchen auf der Sollbahn halten, gibt es noch sogenannte Quadrupolmagnete (gelb), die die gleiche Aufgabe haben wie Linsen in einem optischen System: sie fokussieren die Strahlen so, dass sie nicht auseinander laufen. Dazu kommen noch weitere Komponenten, auf die ich hier aber nicht weiter eingehe. Der Strahl kann dann entweder wieder aus dem Beschleuniger (langsam) extrahiert und an verschiedene externe Experimentierplätze geleitet werden, oder er kann für interne Experimente im Ring verwendet werden. Als Beispiel ist hier der EDDA Detektor eingezeichnet, mit dem wir einige unserer Experimente machen.

Der Name COSY leitet sich von COoler SYnchrotron – also Kühlersynchrotron – ab. Das rührt daher, dass es in COSY auch möglich ist, den Strahl zu „kühlen“. Dabei wird die Relativbewegung zwischen den einzelnen Strahlteilchen minimiert. Als Ergebnis bekommt man einen Strahl, bei dem sowohl der Energieunterschied zwischen den Teilchen als auch der Durchmesser des Strahls sehr klein ist: man hat einen qualitativ sehr hochwertigen Strahl, mit sich sehr präzise Experimente durchführen lassen. Zusätzlich können an COSY die beschleunigten Teilchen auch polarisiert sein, d.h. sie haben eine definierte Spinausrichtung. COSY ist z.Zt. weltweit der einzige Beschleuniger, bei dem man polarisierte und gekühlte Protonen und Deuteronen in diesem Energiebereich untersuchen kann – und damit der einzige Ort, an dem man die nötigen Entwicklungen durchführen kann, die auf dem Weg zur Messung von elektrischen Dipolen in Speicherringen notwendig sind. Was das alles für Entwicklungen sind – darauf möchte ich dann in meinem nächsten Beitrag eingehen.

Volker Hejny

About Volker Hejny

Volker Hejny ist Wissenschaftler am Institut für Kernphysik und arbeitet seit einiger Zeit innerhalb der JEDI Kollaboration an der Möglichkeit permanente elektrische Dipolmomente (EDMs) von Protonen und Deuteronen mit der Hilfe von Speicherringen zu messen, um damit zu erklären, wieso es im Universum fast nur Materie, aber kaum Antimaterie gibt.

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