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Teilchenbeschleuniger: Teilchen in der Falle

Teilchenbeschleuniger sperren Teilchen mit Hilfe elektromagnetischer Felder ein. Ein Video veranschaulicht die Teilchenfalle eindrucksvoll.
How To Trap Particles in a Particle Accelerator

Veröffentlicht am: 25.08.2016

Laufzeit: 0:04:32

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

Die Royal Institution of Great Britain, oft zu Royal Institution abgekürzt, ist eine Einrichtung, die sich wissenschaftlicher Ausbildung und der Forschung widmet.

Um die Struktur der Materie unter die Lupe zu nehmen, bringen Physiker Teilchen in riesigen Teilchenbeschleunigern auf extrem hohe Geschwindigkeiten und beschießen sie miteinander. Wenn nun beispielsweise Protonen im Large Hadron Collider (LHC) am CERN in zwei getrennten Strahlrohren ihre Runden drehen, sind dabei unterschiedlichste elektrische und magnetische Felder im Spiel. Die einen beschleunigen die Teilchen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit. Die anderen sorgen für die nötige Ablenkung, um sie auf ihrer Kreisbahn zu halten. Da die Protonen in Paketen von vielen Milliarden Stück unterwegs sind und sich auf Grund ihrer Ladung gegenseitig abstoßen, müssen sie aber auch ständig fokussiert werden. Der Strahl würde sonst immer breiter werden und schließlich an die Wand der engen Strahlröhre krachen.

Um den Strahl zu bündeln, werden Abwandlungen der so genannten Paul-Falle eingesetzt, für deren Entwicklung der deutsche Physiker Wolfgang Paul 1989 den Nobelpreis erhielt. Im YouTube-Video der Royal Institution zeigt die australische Teilchenphysikerin Suzie Sheehy eine eindrucksvolle mechanische Analogie zur Wirkungsweise der Paul-Falle: einen sich drehenden Sattel, in dessen Mittelpunkt eine Kugel gehalten wird.

Solange der Sattel ruht, ist die Kugel zwar zwischen den Erhöhungen vorne und hinten stabil eingeschlossen, kann allerdings sowohl links als auch rechts davonrollen. Dreht sich der Sattel jedoch, schiebt sich der Kugel, sobald sie wegrollen will, ein erhöhter Teil des Sattels in den Weg und drängt sie wieder zurück in die Mitte zur Drehachse. Diese Analogie hat Wolfgang Paul selbst bereits in seiner Nobelpreis-Vorlesung präsentiert.

Umgemünzt auf elektromagnetische Felder und geladene Teilchen muss die Drehung des Sattels durch ein oszillierendes Feld ersetzt werden, da es mit statischen Feldern nicht möglich ist, in zwei Richtungen gleichzeitig eine Fokussierung zu erreichen. So wird das Teilchen abwechselnd entlang der einen (hinten-vorne) und dann der anderen Achse (links-rechts) in die Mitte gedrängt und somit stabilisiert.

Den Strahl im Teilchenbeschleuniger fokussiert man nun, indem man die Teilchenpakete entlang ihrer Flugbahn abwechselnd Felder mit unterschiedlichen Orientierungen passieren lässt. So werden sie einmal in die eine und ein Stückchen weiter in die andere Richtung zusammengedrückt. Dadurch schwingt zwar jedes einzelne Teichen leicht um die ideale Kreisbahn, insgesamt wird der Strahl aber in der Mitte des Strahlrohrs gebündelt.

Eine andere Anwendung der Paul-Falle ist übrigens das so genannte Quadrupol-Massenspektrometer, ein weit verbreitetes Messinstrument zu Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen. Dabei nutzt man aus, dass bei jeder Frequenz des elektromagnetischen Feldes nur Teilchen mit einem bestimmten Verhältnis von Ladung und Masse in der Falle gehalten werden können. So wie der Ball bei zu schneller oder zu langsamer Drehung vom Sattel fällt, fliegen auch sämtliche anderen Gasteilchen aus der Falle. Die übrig gebliebenen Teilchen werden daraufhin von einem Detektor gezählt, und den gesamten Vorgang wiederholt man für sämtliche möglichen Frequenzen. So lässt sich feststellen, wie viele Teilchen von jeder Sorte im Gas vorhanden sind.

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