Beck Wissen - Antimaterie - Auf der Suche nach der Gegenwelt

durchlaufen, die dann allerdings gekrümmt wäre? Die Idee des Zyklotrons war geboren.
    Ein Zyklotron besteht aus zwei elektrisch gegenpolig geladenen Halbdosen, die sich ihrerseits in einem luftleeren Gefäß befinden. Ein von außen wirkendes Magnetfeld sorgt für die kreisförmige Bewegung der elektrisch geladenen Teilchen in der Dose. An den beiden Halbdosen liegt eine Wechselspannung an. Die Frequenz der Wechselspannung ist auf den Umlaufrhythmus der Teilchen abgestimmt: Immer wenn das Teilchen den Raum zwischen den beiden Halbdosen erreicht, wird das elektrische Feld so umgepolt, daß das Teilchen in die andere Halbdose hineingezogen und beschleunigt wird. Mit zunehmender Energie laufen die jeweiligen Partikel auf Bahnen mit immer größerem Radius, bis sie schließlich an den Dosenrand gelangen und die Dose mit der maximal erreichbaren Energie verlassen.
    Ein Elektron verfügt über die Energie von einem Elektronenvolt, wenn es eine Spannungsdifferenz von einem Volt durchlaufen hat. Um einem Teilchen die Energie von 80000 Elek–
     

    Abb. 5: Prinzipskizze eines Zyklotrons. Zwei dosenförmige Hohlelektroden, die durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt sind, werden an einen Hochfrequenzschwingkreis angeschlossen. Sie befinden sich in einem evakuierten Gefäß zwischen den Polschuhen eines großen Elektromagneten. In der Mitte liegt eine Ionenquelle. Die Frequenz ist so abgestimmt, daß die Ionen jeweils beim Eintreffen am Spalt eine Energievermehrung erfahren.
     
    tronenvolt (80 keV) zu verleihen, muß es demnach eine Spannungsdifferenz von 80000 Volt durchlaufen. Das Zyklotron brachte in dieser Hinsicht einen außerordentlichen Fortschritt: Bereits im Jahre 1931 erzielten Lawrence und seine Mitarbeiter mit einem sehr kleinen Zyklotron (Dosendurchmesser: 11,5 cm) Protonenenergien von 80000000 eV (80 MeV) unter Verwendung einer Spannung von nur knapp 1000 V. Die weitere technische Entwicklung auf diesem Gebiet hat erstaunliche Resultate gezeitigt: Die Steigerung der Dimensionen und dementsprechend auch der magnetischen Feldstärken sowie der Spannungen und Frequenzen gestattet es, mit einem Zyklotron mittlerer Leistungsfähigkeit einige 100 MeV zu erreichen.
    Allerdings hat ein Zyklotron auch seine Grenzen. Nach Einsteins Erkenntnis aus dem Jahre 1905 (Spezielle Relativitätstheorie) hängen nämlich Energie und Masse als äquivalente Erscheinungsformen der Realität durch die Beziehung E=m×c 2 zusammen. Hier bedeuten E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit. Mit zunehmender Energie eines Teilchens vergrößert sich daher auch dessen Masse. Dadurch laufen nicht mehr alle Teilchen mit der gleichen Umlaufszeit, der Rhythmus der Feldumpolung stimmt nicht mehr für alle Teilchen, sie geraten aus dem Takt.
    Dieses Problem löst das Synchroton. Mit Beschleunigern dieses Prinzips gelingt es, die bisher höchsten Energien überhaupt zu erzeugen. Grundlage ist das uns bereits vom Zyklotron bekannte Prinzip der Mehrfachbeschleunigung, bei dem Teilchen immer wieder dieselbe Beschleunigungsstrecke durchlaufen. Doch durch die schon erwähnte relativistische Massenzunahme verändern sich die Umlaufsfrequenzen. Diesem Umstand trägt das Synchroton Rechnung, indem die Beschleunigungs- und die Umlauffrequenz synchronisiert werden. Auch die zur Umlenkung benutzten Magnetfelder werden auf raffinierte Weise zeitlich variiert. Mit anderen Worten: Die Geschwindigkeit der Teilchen, die Beschleunigungsfrequenz und die Magnetfeldstärke sind höchst „kunstvoll“ aufeinander abgestimmt, wofür ein kompliziertes Steuerungssystem sorgt.
    Der Bahnverlauf der Teilchen muß nicht mehr unbedingt durchgehend gekrümmt sein; vielmehr wechseln geradlinige Strecken und gekrümmte Wege einander ab. Dann muß aber auch das Magnetfeld nicht mehr längs der gesamten Bahn der Teilchen wirksam sein. Die Magnetfelder werden nur noch eingesetzt, um die Teilchen von ihrer geradlinigen Bewegung in den nächsten geradlinigen Abschnitt ihrer Bahn umzulenken.
    Für höhere Energien benötigt man auch größere Beschleuniger. Außerdem sind die Bedingungen für die Beschleunigung von Protonen und Elektronen sehr verschiedenartig. Deshalb werden heute - je nach den speziellen Aufgaben, die mit einem Beschleuniger gelöst werden sollen - viele unterschiedliche Typen von Beschleunigern verwendet. Die Höchstenergien, die mit den Beschleunigeranlagen der modernen Physik erreicht werden, konnten binnen weniger Jahrzehnte in