Akademik

Hoch|energiephysik,

 

Elementarteilchenphysik, Teilgebiet der Physik, das sich mit den Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen beschäftigt. Hierzu werden Beschleuniger benötigt, die Elektronen, Protonen und/oder ihre Antiteilchen auf hohe Teilchenenergien beschleunigen. - Die Atome der Materie bestehen aus Atomkernen und Elektronen. Während das Elektron als Elementarteilchen gilt, sind die Atomkerne aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt, die selber keine Elementarteilchen im eigentlichen Sinne darstellen, in deren Inneren vielmehr Quarks vom Typ u, d und s und deren Antiteilchen sowie Gluonen identifiziert wurden. Zur Untersuchung dieser kleinsten bisher in der Natur nachgewiesenen Strukturen (vergleiche Atom: Durchmesser in der Größenordnung von 10^-8 cm, Atomkern: 10^-12 cm, Protonen und Neutronen: 10^-13 cm, Quarks und Elektronen: 10^-16 cm) benötigt man wegen des Zusammenhangs zwischen der Wellenlänge von Materiewellen und dem Impuls der entsprechenden Teilchen sehr hohe Energien. Bei der Beschleunigeranlage HERA des Deutschen Elektronen-Synchrotrons, in der zur Untersuchung der Struktur des Protons hochenergetische Elektronen mit Protonen zur Kollision gebracht werden, beträgt die Energie im Schwerpunktsystem 300 GeV, die entsprechende Wellenlänge 3 · 10^-16 cm und somit das Auflösungsvermögen 10^-16 cm, d. h. es sind Strukturen kleiner als ¹/₁₀₀₀ der Größe des Protons auflösbar. - Zu den als Bausteine der stabilen Materie vorkommenden Quarks und Elektronen gehören noch weitere Elementarteilchen vom Typ der Quarks, Leptonen oder Eichbosonen, die sämtlich instabil und daher kurzlebig sind und nur untersucht werden können, indem sie in energiereichen Reaktionen erzeugt werden. Die hierzu benötigte Energie nimmt gemäß der einsteinschen Relation E = mc² proportional mit der Masse m der Teilchen zu. Am einfachsten wird sie durch gegenseitige Vernichtung von hochbeschleunigten Elektronen und Positronen aufgebracht. In der Speicherringanlage LEP am CERN konnten auf diese Weise Energien im Schwerpunktsystem von 210 GeV erzeugt werden; entsprechend ist die paarweise Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen bis zur Masse von 105 GeV der Teilchen (z. B. W-Bosonen) möglich.

 

Die zur Erforschung der Systematik der Elementarteilchen sowie von zunehmend kleineren Strukturen der Materie erforderlichen hohen Teilchenenergien (das bislang schwerste Teilchen, das Top-Quark, hat eine Masse von 175 GeV, noch schwerere werden vermutet) werden in Hochenergiebeschleunigern erzeugt, die im Allgemeinen in großen Forschungseinrichtungen (wie CERN, DESY, Fermi National Accelerator Laboratory) entwickelt und gebaut werden. Zwar findet man in der kosmischen Strahlung noch höhere Teilchenenergien, doch sind diese sehr selten und deshalb für systematische Untersuchungen ungeeignet.

 

Für die Untersuchungen an den Beschleunigern werden weiterhin Detektoren benötigt, in denen die Reaktionen der aufeinander treffenden und miteinander in Wechselwirkung tretenden Elementarteilchen registriert und ausgewertet werden. Sowohl die Beschleuniger als auch die Detektoren der Hochenergiephysik sind Großgeräte, in denen sehr anspruchsvolle, innovative Technologien zum Einsatz kommen. Wegen des großen Aufwandes und der vielfältigen benötigten Spezialkenntnisse schließen sich zum Bau der Detektoren im Allgemeinen Forscher aus zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen zusammen und führen die meist über viele Jahre laufenden Versuche gemeinsam durch. - Der Bau der großen Anlagen der Hochenergiephysik hat Impulse auf verschiedenen Gebieten, wie Tieftemperatur- und Supraleitungstechnik, Hochvakuumtechnik und Datentechnologie ausgelöst. Ein Folgeprodukt der Hochenergiephysik ist die an den Beschleunigern entdeckte Synchrotronstrahlung. Sie eröffnet neue Forschungsfelder in der Festkörper-, Oberflächen- und Geophysik, Chemie, Molekularbiologie, den Materialwissenschaften sowie der medizinischen Diagnostik; mehr als 50 Beschleuniger werden derzeit weltweit dafür genutzt.