Teilchenbeschleuniger

Auf geradem Weg zum Weltbeschleuniger

Von Manfred Lindinger

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Alle Fragen der modernen Teilchenphysik auf eine Folie gepackt

25. August 2004 Weltweit träumen die Physiker von einem gemeinsamen Teilchenbeschleuniger, der die Forschung über mehrere Jahrzehnte beflügeln könnte. In einem dreißig bis vierzig Kilometer langen Tunnel sollen Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, auf gerader Strecke beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Man will damit Bedingungen schaffen, wie sie unmittelbar nach dem Urknall geherrscht haben.

In den Vereinigten Staaten, Japan und in Europa sind in den vergangenen Jahren detaillierte Pläne für eine solche internationale "Rennstrecke" ausgearbeitet worden. Erste Testanlagen, die auf verschiedenen technischen Konzepten basieren, haben bewiesen, daß das anspruchsvolle Projekt tatsächlich zu verwirklichen ist.

Miniaturknall im Modell: Der Kollisionspunkt von Elektronen und Positronen

Am vergangenen Freitag hat nun das Internationale Komitee für künftige Beschleuniger (ICFA) in Peking eine erste wichtige Entscheidung getroffen. Danach soll die Weltmaschine auf supraleitenden Beschleunigungseinheiten beruhen, die unter Federführung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons Desy in Hamburg als internationales Projekt entwickelt wurden.

Zwei gegeneinandergerichtete Linearbeschleuniger

Daß man einen linearen Beschleuniger bauen will und keinen Speicherring, hat seinen Grund. Elektronen und Positronen, die auf gerader Strecke beschleunigt werden, erleiden keine Energieverluste durch Synchrotronstrahlung. Zudem sind die Kosten eines Linearbeschleunigers geringer als die eines vergleichbaren Ringbeschleunigers. Einen größeren Speicherring wie den Large Electron Positron Collider (Lep) am europäischen Zentrum für Elementarteilchenforschung Cern bei Genf, der zuletzt eine Kollisionsenergie von 207 Gigaelektronenvolt (Milliarden Elektronenvolt) erreichte, wird man deshalb wohl nicht mehr bauen.

Mit seinem Nachfolger, dem Large Hadron Collider (LHC), der in vier Jahren in Betrieb gehen soll, stehen zwar 14000 Gigaelektronenvolt zur Verfügung. Da man aber aus Quarks und Gluonen bestehende Protonen aufeinander richtet, verteilt sich die Energie auf die einzelnen Konstituenten. Zudem laufen bei der Kollision von Protonen viele komplizierte Prozesse ab. Das soll beim internationalen Linearbeschleuniger nicht der Fall sein, da man strukturlose Teilchen verwendet.

Mit zwei gegeneinandergerichteten Linearbeschleunigern möchte man die Pakete von Elektronen und Positronen mit einer Gesamtenergie von 500 bis 1000 Gigaelektronenvolt aufeinanderschießen. Die Teilchen vernichten sich dann gegenseitig in einem kleinen Raumgebiet. Für kurze Zeit herrschen dann Zustände wie eine billionstel Sekunde nach dem Urknall vor etwa 15 Milliarden Jahren.

Das Herzstück des Beschleunigers sind viele tausend äußerst leistungsfähige Resonatoren, in deren Inneren die Teilchen bis auf fast Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Während man bei Desy in Hamburg auf rund ein Meter lange supraleitende Resonatoren aus Niob setzt und die Technik für den 100 Meter langen Freien-Elektronen-Laser verwendet, nutzt man am Stanford Linear Accelerator Center (Slac) in Kalifornien und am Kek Forschungslabor in Tsukaba bei Tokio Beschleunigungskavitäten, die bei Raumtemperatur arbeiten.

Expertengruppe auf Visite

Im April dieses Jahres hat eine zwölfköpfige Expertengruppe im Auftrag des Internationalen Komitees für künftige Beschleuniger die Anlagen in Stanford, Tsukuba und Hamburg besucht und die Für und Wider der supraleitenden und normalleitenden Resonantortechniken abgewogen. Auf ihrem Urteil beruht die jetzt getroffene Entscheidung, die die supraleitende Beschleunigertechnik favorisiert.

Überzeugt hat das ICFA die Tatsache, daß in den supraleitenden Beschleunigerresonatoren der Strom verlustfrei fließt. Die Übertragung der elektrischen Leistung von den Hochfrequenz-Senderöhren auf die Elektronen- und Positronenstrahlen ist somit äußerst effizient. Die Kühlung der Kavitäten mit flüssigem Helium bereitet heute keinerlei Schwierigkeiten mehr.

Ein mit supraleitenden Resonatoren ausgerüsteter Linearbeschleuniger würde einen Tunnel von 40 Kilometern Länge benötigen, damit die angestrebte maximale Kollisionsenergie erreicht würde. Eine auf normalleitender Technik basierende Anlage wäre zwar nur 30 Kilometer lang, hätte aber den Nachteil, daß man einen zweiten Tunnel bauen müßte, in dem die Sender für die hochfrequenten Beschleunigerfelder untergebracht sind. Außerdem wird nur etwa ein Drittel der Hochfrequenzleistung auf die Teilchenstrahlen übertragen.

Nachdem die wichtige Hürde überwunden ist, kann man nun darangehen, ein detailliertes Design vom ILC anzufertigen. Verläuft alles nach Plan, könnte in drei Jahren entschieden werden, ob der Teilchenbeschleuniger in Amerika, Japan oder Europa errichtet wird. Das Land, das als Standort gewählt wird, müßte einen großen Teil der Kosten tragen. 2015 könnten Elektronen und Positronen erstmals aufeinandergeschossen werden.

Forschungsprogram des ILC

Wenn auch viele technische Fragen offen und politische Entscheidungen noch lange nicht getroffen sind - Klarheit herrscht zumindest darüber, was alles mit dem International Linear Collider erforscht werden soll. Vor allem auf das sogenannte Higgs-Boson hat man es abgesehen, dessen Eigenschaften man genau untersuchen möchte - falls es überhaupt existiert. Denn dieses Teilchen, das nach gängigen Theorien der Grund dafür ist, daß die Elementarteilchen eine unterschiedliche Masse haben, wurde in noch keinem bis lang existierenden Teilchenbeschleuniger nachgewiesen. Derzeit ist nur bekannt, daß die Masse des Bosons größer als 110 und niedriger als 250 Gigaelektronenvolt sein muß.

Nicht zuletzt gilt die Suche den "supersymmetrischen Teilchen". Der Nachweis dieser Partikeln wäre ein wichtiger Schritt zur Vereinheitlichung der vier fundamentalen Kräfte zu einer einzigen Wechselwirkung. Denn Bedingungen, wie sie in den Beschleunigern heutzutage erreicht werden, müssen kurz nach dem Urknall vorgelegen haben. Der heutigen Vorstellung zufolge hat damals eine einzige Kraft geherrscht, aus der die vier bekannten Kräfte hervorgegangen sind.

Text: mli
Bildmaterial: Berkeley National Laboratory, Desy

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