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Teilchenbeschleuniger : Riesenmagnete von mikroskopischer Präzision

  • -Aktualisiert am

Die Magneten bilden eine 27 Kilometer lange Kreisbahn Bild: Hnida

Am Europäischen Kernforschungszentrum in Genf entsteht der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Bei der Montage der riesigen Magnete ist mikroskopische Präzision gefragt. Dabei kommen ganz neue Techniken zum Einsatz.

          6 Min.

          Es ist ein Projekt der Superlative. Beim Europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf entsteht der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. 2007 soll er anlaufen. Dann wird die kreisförmige Maschine Large Hadron Collider (LHC) mit dem beachtlichen Umfang von 27 Kilometern geladene Bestandteile des Atomkerns - die Protonen - mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (genau 99,9999991 Prozent) auf entgegengesetzten Bahnen frontal aufein- anderprallen lassen. Die Ergebnisse der milliardenfachen Kollisionen werden in monströsen Detektoren analysiert, in denen so manche Kirche Platz fände. Ziel der Wissenschaftler ist der Blick in die Anfänge des Universums vor etwa 15 Milliarden Jahren - mit einer Genauigkeit weit jenseits dessen, was modernste Mikroskope zu erkennen vermögen.

          So weit die Aufgabe, der die Physiker sich stellen. Doch auch die Entwicklungsingenieure haben viel zu tun. Schließlich besteht so ein Beschleuniger nicht einfach nur aus zwei ringförmigen Edelstahlröhren, in denen die Teilchen freiwillig jeweils links- oder rechtsherum kreisen, um an vier ausgewählten Punkten - dort wo die Detektoren stehen - frontal zu kollidieren. In den Röhren braucht es ein hervorragendes Vakuum, wie es 1000 Kilometer über der Erdoberfläche herrscht; sonst würden die Protonen durch andere Partikel gebremst oder gestreut. Um die Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen (das sind fast 300.000 Kilometer je Sekunde), ist viel elektrische Energie vonnöten. Und schließlich funktioniert so ein Beschleuniger nicht ohne Hochleistungsmagnete. Rund 9300 sind entlang den Ringröhren installiert.

          Kräftig Strom pumpen

          858 sogenannte Quadrupolmagnete bündeln den Teilchenstrahl wie eine Sammellinse das Licht. Dipolmagnete halten die Protonen auf ihrer Kreisbahn. Denn die machen sonst nichts anderes als ein Auto bei Glatteis in einer Kurve: Die Fliehkräfte zwingen sie einfach geradeaus weiter. 1232 dieser Dipolmagnete hindern sie daran. Sie sind als Glanzlicht die fertigungstechnisch größte Herausforderung und schlucken rund 60 Prozent des LHC-Budgets. Die beiden „beam pipes“ sind damit dicht bestückt. Die komplexen Elektromagnete, eigens für den LHC erdacht, umgeben rund zwei Drittel der 27 Kilometer langen Kreisbahn. Hinzu kommen je Strahlrohr acht Beschleunigungselemente mit elektrischen Hochfrequenzfeldern und die bereits erwähnten Quadrupole.

          Abseilen auf 100 Meter Tiefe: Dipolmagnet

          Mit dem, was wir zu Hause finden, haben diese elektrischen Dipolmagnete wenig gemein. Allein die schiere Kraft und Größe ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal. Magnetfelder bis zu 9 Tesla kann jeder der 35 Tonnen schweren und 15 Meter langen Dipolmagnete erzeugen. Das entspricht etwa dem 270.000fachen Erdmagnetfeld und liegt deutlich über dem, was zum Beispiel Kernspintomographen für die medizinische Diagnostik leisten. Dafür muss man allerdings kräftig Strom durch die Dipole pumpen.

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