Kernphysik... Eins der interessantesten Themen der Physik, welches unter anderem auch anhand kleinster Teilchen und deren Verhalten, z.B. bei Zusammenstößen, auf die Theorie des Urknalls und der weiteren Entwicklung des Universum zu schließen versucht. Für ein noch besseres Verständnis und um das Thema etwas abzurunden, haben wir, die Schüler des Physik Grund- und Leistungskurs der Jahrgangsstufe 13 aus der Brandenburgischen Schule für Blinde und Sehbehinderte, uns dazu entschlossen, eines der wichtigsten und größten Zentren der Kernforschung, das CERN bei Genf, zu besuchen. Der folgende Bericht soll zeigen, was wir bei diesem Besuch gelernt und erlebt haben.

Was ist das CERN und was macht es?

Wie wird es gemacht?

Man beschleunigt Teilchen auf sehr hohe Energien. Läßt man Teilchen zusammenstoßen oder lenkt sie auf feste ,,targets", können die Physiker aus einer Analyse der Reaktionen die zwischen den Teilchen wirkenden Kräfte bestimmen.
Es gibt zwei Typen von Beschleunigern, Linear- und Ringbeschleuniger. CERN verfügt über beide Typen. Beschleuniger benutzen starke elektrische Felder, um einen Teilchenstrahl mit Energie aufzuladen. Mit Magnetfeldern wird der Strahl gebündelt und — in Ringbeschleunigern — auf eine Kreisbahn gelenkt.
In Linearbeschleunigern wird der Strahl über die ganze Länge der Maschine mit Energie aufgeladen. Je länger die Maschine, desto höher ist die Endenergie.
Der Nachweis von Ereignissen erfolgt in Detektoren, die um die Kollisionspunkte herum aufgebaut werden. Detektoren für Speicherringexperimente sind so groß wie ein Haus, ähnlich wie Zwiebeln aufgebaut, aber von zylindrischer Form, und voll von hochentwickelter Elektronik. Die Kollisionen ereignen sich genau in ihrem Zentrum, und die verschiedenen Schalen bestimmen verschiedene Eigenschaften der neu erzeugten Teilchen. Nachweisgeräte in unmittelbarer Nähe der Strahlen verfolgen die Spuren der am Kollisionspunkt erzeugten Teilchen. Die nächste Schale bilden sogenannte Kalorimeter zur Energiebestimmung, in denen die meisten Teilchen ihre Reise beenden. Die äußerste Zwiebelschale identifiziert alle Teilchen, die bis hierher vordringen, und mißt ihre Spuren. Ein in den Detektor eingebauter Magnet lenkt elektrisch geladene Teilchen während der inneren Spurmessung auf gekrümmte Bahnen und erleichtert damit die Identifizierung unterschiedlicher Teilchen.
Bei Zusammenstößen von Teilchen in Beschleunigern, sogenannten Speicherringen, oder bei ihrem Aufprall auf ,,targets" außerhalb des Beschleunigers entstehen neue Teilchen. Dabei verwandelt sich Materie in Energie und Energie wieder zurück in Materie, entsprechend Einsteins berühmter Gleichung E=mc².
Wichtig ist jedoch, daß bei Teilchen-Kollisionen die Energie auf winzigstem Raum konzentriert ist. Aus solch extremen Energiekonzentrationen entstehen neue Teilchen, deren Untersuchung uns neue Einblicke in die Geheimnisse der Natur erlaubt.

Was ist ein Teilchenbeschleuniger?

Teilchenbeschleuniger sind physikalisch-technische Großanlagen zum Beschleunigen von geladenen Elementarteilchen oder Ionen. Teilchenbeschleuniger zählen zu den größten und teuersten in der Physik verwendeten Vorrichtungen, mit denen man Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten bringt. Im Wesentlichen bestehen diese Anlagen aus drei Teilen: einer Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen, einer weitgehend evakuierten röhrenförmigen Bahn, in der sich die Teilchen frei bewegen können, und einer Einheit zum Beschleunigen der Teilchen. Üblicherweise sind Teilchenbeschleuniger mit anderen Einrichtungen wie z. B. Teilchendetektoren gekoppelt.
Geladene Teilchen lassen sich mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes beschleunigen. Das gelingt beispielsweise durch eine hohe Potentialdifferenz zwischen Elektroden, die an den Enden der evakuierten Röhre angebracht werden. Auf diese Weise gelang es beispielsweise den englischen Wissenschaftlern John D. Cockcroft und Ernest Walten, Protonen auf Energien von 250 000 Elektronenvolt (eV) zu beschleunigen. Der so genannte Van-de-Graaff-Generator läßt sich auch als Teilchenbeschleuniger einsetzen. Diese Vorrichtung arbeitet mit Hilfe der Elektrostatik. Zwischen zwei Elektroden wird durch Ladungstrennung an einem bewegten Riemen eine Potentialdifferenz erzeugt. Dadurch können Teilchen bis auf Energien von zehn Megaelektronenvolt (zehn Millionen Elektronenvolt) gebracht werden.

Was sind Teilchendetektoren?

Teilchendetektoren sind Geräte oder Anlagen zum Nachweis und zur Erforschung subatomarer Teilchen bzw. Elementarteilchen. Auf der einen Seite können Detektoren so klein und so einfach aufgebaut sein wie z. B. der Geigerzähler. Auf der anderen Seite können sie auch so groß und komplex sein wie Funken- oder Blasenkammern. Diese sind mitunter so groß wie ein Zimmer oder eine Wohnung.

Der große Elektron-Positron-Collider LEP ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Er ist in einem Ringtunnel von 27 km Umfang installiert, der 100 m unter der Erde verläuft. An vier Punkten um den Beschleuniger untersuchen gigantische Detektoren, ALEPH; DELPHI, L3 und OPAL genannt, was passiert, wenn Elektronen mit Positronen, ihren Gegenstücken aus Antimaterie, unter hoher Energie zusammenstoßen.

Wie funktionieren Beschleuniger?

In Teilchenbeschleunigern wie LEP nutzt man die Art und Weise, wie sich geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern bewegen. Elektrische Felder beschleunigen sie; magnetische Felder lenken sie ab und bündeln sie zu Strahlen.
Ausgangspunkt aller Teilchenstrahlen ist eine Teilchenquelle; die einfachste Quelle ist ein erhitzter Draht, z.B. der Leuchtdraht in einer Glühbirne. Diese Art von Quelle wird bei Fernsehern verwendet.
Ein ähnlicher Leuchtdraht wird auch in LEPs Linearinjektor LIL benutzt. LIL ist ein linearer Beschleuniger, kurz Linac, der die Strahlen für LEP vorbereitet. In einem Linac beschleunigen sich die Teilchen von einer Elektrode zur nächsten und nehmen mit jedem Durchgang mehr Energie auf. LILs Leuchtdraht produziert die Elektronen für LEP. Die Herstellung der Positronen ist allerdings etwas schwieriger. Um Positronen zu produzieren, beschleunigt man Elektronen durch eine Folie; dabei bilden sich Elektronen- und Positronenpaare. Die Positronen werden mit Hilfe von Magneten herausgefiltert und dann gespeichert, bis eine genügende Anzahl vorhanden ist, um einen Strahl zu bilden. Alle Strahlen bei CERN beginnen ihre Existenz in Linacs; um sie jedoch auf die von den Physikern benötigten Energien zu bringen, müßten die Beschleuniger extrem lang sein. Aus diesem Grund wurden die großen Maschinen bei CERN als Ringe gebaut Im LEP krümmen 3368 Magnete die Teilchenstrahlen und halten sie auf der Bahn.

Was macht der LEP?

Der LEP wurde konstruiert für das Studium der fundamentalen Naturkräfte, der schwachen Kraft, von der die Sonne ihren Brennstoff erhält und die für gewisse Formen der Radioaktivität verantwortlich ist.
Eines der ersten Ergebnisse, die LEP brachte, war auch gleich von besonderer Bedeutung. Es zeigte nämlich, daß sich die Materie in Form von drei verschiedenen Teilchenfamilien präsentiert. Alle Objekte, die wir sehen, wir selber eingeschlossen, bestehen aus Teilchen, die zur leichteren Familie gehören. Die beiden anderen Familien sind nur schwerere Kopien dieser ersten.
Warum es drei Familien gibt statt nur einer einzigen ist noch ungeklärt.

Wie werden die vier Detektoren benutzt?

Die vier LEP-Detektoren funktionieren nach denselben Grundprinzipien, aber jeder wurde für eine spezielle Aufgabe optimalisiert. OPAL beruht auf Techniken, die man gut beherrscht, um gleich von Betriebsbeginn Ergebnisse garantieren zu können. DELPHI hingegen steckt voller innovativer Technologien. ALEPH hält sich in der Mitte dazwischen, während L3 speziell für den Nachweis von Müonen konzipiert ist. Alle vier haben bestens funktioniert; angespornt durch ihre freundschaftliche Rivalität haben die Physikerkollaborationen, die die Detektoren gebaut haben, ihre heutige Vorrangstellung in der Teilchenphysik erlangt.

Brandenburgische Schule für Blinde und Sehbehinderte
15711 Königs Wusterhausen
Luckenwalder Straße 64
Telefon: 03375 2429-11

Thomas Schrowe (Physik Leistungskurs 13)
Monique Gartmann, Marko Weber (Physik Grundkurs 13)