Nachgefragt
Wie beschleunigt man ein Teilchen auf 300.000 km/s?
<b>Teilchenautobahnen</b> Der Linearbeschleuniger UNILAC (links) und das Schwerionensynchrotron SIS (rechts). Bilder: G. Otto / GSI; A Zschau /GSI
Um die kleinsten Strukturen von Materie zu untersuchen, beschießen Forscher sie mit extrem schnellen Teilchen. Am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung werden dafür geladene Atome genutzt, die eine besonders große Masse haben – Schwerionen. Diese Teilchen müssen fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Physikprofessor Oliver Kester erklärt, wie das geht
„Die Schwerionen kommen erst auf eine gerade Beschleunigungsstrecke, in einen so genannten Linearbeschleuniger. Der ist bei uns etwa 120 Meter lang und bringt die Teilchen mithilfe elektromagnetischer Wellen auf 15 bis 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Mit diesem Tempo kommen sie dann in den Kreisbeschleuniger. Auf einer Geraden bräuchte man über Kilometer hinweg mehrere Beschleunigungsstrecken. Die 216 Meter lange Ringstrecke hat den Vorteil, dass wir die Teilchen Runde für Runde nur an einer Stelle beschleunigen müssen. Ein so genannter Hochfrequenz-Resonator erzeugt dort ein elektrisches Feld – immer dann, wenn die Teilchen hindurchfliegen – und überträgt so mehr Energie auf sie.
Da im Beschleuniger ein Vakuum herrscht, stört nichts ihren Flug, sie werden immer schneller. Die große Herausforderung ist es, die Teilchen auf der Kreisbahn zu halten. Dazu nutzen wir starke Magnetfelder, die die Schwerionen auf die Bahn zwingen und sie im Paket bündeln. Beispielsweise rauschen so bis zu 33 Milliarden Uran-Ionen gemeinsam durch den Ring, wie ein langer dünner Faden sehen sie aus. Wenn wir sie nicht mit Magnetfeldern zusammenhielten, würden sie gegen die Wand prallen und verloren gehen. Bis zu einer Million Mal muss der Teilchenfaden am Resonator vorbei – dann sind 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht. Das Ganze dauert nur eine Sekunde. Da die Ionen bei jeder Umrundung schneller werden, müssen wir die Magnetfelder, die sie auf der Bahn halten, immer wieder neu anpassen. Das geschieht synchron, also zeitlich exakt passend zur Beschleunigung der Teilchen. Daher heißt ein Kreisbeschleuniger auch Synchrotron.“
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