Eine kurze Geschichte der Teilchenbeschleiniger. Der LHC ist das bisher letzte Glied in einer langen Kette von Teilchenbeschleunigern. Sie entwickelten sich zu Instrumenten der Grundlagenforschung. Vom Van de Graaff zum LHC
Das internationale Forschungszentrum CERN in Genf arbeitet seit vielen Jahren diskret und mit guten Erfolgen an der Erforschung der Materie. Zahlreiche Entdeckungen von Elementarteilchen und Grundbausteinen der Materie wurden dort gemacht und veröffentlicht. In den letzten beiden Jahren geriet CERN in die Schlagzeilen der Sensationspresse mit einem Projekt, dessen Anfänge auch schon etliche Jahre zurück liegen, dem LHC, dem Large Hadron Collider.
Large Hadron Collider
Der LHC ist das bisher letzte Glied in einer langen Kette von Teilchenbeschleunigern. Voran getrieben und mit den notwendigen Geldern versehen wurden die ersten Beschleuniger im Rahmen des späteren Manhattan Projekts zur Entwicklung der ersten Atombombe in den USA. Obwohl solche praktischen Ziele im Fokus lagen, entwickelten sich die Geräte doch sehr schnell zu reinen Instrumenten der Grundlagenforschung.
Van de Graaff
Im Jahre 1929 wurde der erste Van de Graaff Generator, benannt nach seinem Erfinder, gebaut. Er basiert auf statischer elektrischer Energie, dessen Potential über Reibungselektrizität durch leistungsfähige Gummibänder aufgebaut wird. Die Feldstärke kann dabei bis zu 25 MV Spannung erreichen. Untersucht wurden Protonen, Ionen sowie leichte Atomkerne und deren Reaktionen. Der letzte größere van de Graaff Generator stellte seine Arbeit 1993 Daresbury ein.
Cyclotron
Fast zeitgleich entwickelte Ernest Lawrence an der Universität von Berkeley sein erstes Cyclotron, in dem sich geladene Teilchen zwischen zwei D-förmigen Platten senkrecht zu einem Dipolmagneten beschleunigen und ihre Strahlen beugen ließen. Dieses Gerät arbeitet bei konstanter Frequenz und erreicht bis zu 15 MeV (Millionen Elektronvolt). Die bekanntesten Anwendungen waren die Calutrons zur Isotopentrennung und damit Anreicherung von spaltbarem Uran im Rahmen des Manhattenprojekts.
Bei höheren Geschwindigkeiten entstehen relativistische Effekte, d. h. Massezunahmen, die von diesem Typ Beschleuniger nicht mehr kontrolliert werden können. Deshalb wurden sie zu Synchrotons weiter entwickelt. Sie ermöglichen Beschleunigungen bis zu 200 MeV für z. B. Deuteronen bzw. 400 MeV für Protonen.
Linearbeschleuniger
Eine völlig andere Konzeption wurde ab den frühen 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts ins Rennen gebracht: Linearbeschleuniger. Sie basieren auf einer Technologie, die ein elektrisches Feld unter Wechselspannung über Driftröhren bewegt, in denen z. B. Elektronen in gerader Linie auf heute bis zu 5 GeV (Stanford LINAC) beschleunigte werden. Mit diesen Hochenergie-Elektronen lassen sich z. B. Streuexperimente an Atomkernen durchführen.
Collider
Dann kamen die Colliders, die Beschleunigerringe, in denen gleichartig geladene Teilchen gegeneinander zur Kollision gebracht werden. Die bekanntesten sind in CERN und in Deutschland im DESY bei Hamburg zu finden. Man unterscheidet Hadronen- und Leptonen- Collider. Hadronen sind Elementarteilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen (Bindung im Atomkern), wie z. B. Protonen. Leptonen sind z. B. Elektronen, die der schwachen Wechselwirkung unterliegen (Beta-Zerfall).
Der LHC in CERN, der z. Zt. noch in der Erprobung steckt, wurde gebaut, um mit Energien von bis zu 14 TeV (1 Tera Elektronvolt = 1 Billion Eletronvolt) nach theoretisch prognostizierten Teilchen zu suchen, deren Existenz letztendlich die Lösung zu einer vereinheitlichenden Theorie der vier natürlichen Grundkräfte vorantreiben könnte.