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Kollisionen
auf engstem Raum
Bei Zusammenstößen zwischen Teilchen in Beschleunigern
oder bei ihrem Aufprall auf Ziele
außerhalb des Beschleunigers entstehen oft
auch neue Teilchen. Dies geschieht, indem
Materie sich in Energie und diese sich wieder
zurück in Materie verwandelt; es gilt Einsteins
berühmte Gleichung E = mc 2 , wobei E für
Energie, m für Masse steht und c die Lichtgeschwindigkeit
angibt.
Aus E = mc2 folgt, daß ein Gramm Materie
erstaunliche 20 Billionen Kalorien enthält. Die
Teilchen, die in Beschleunigern untersucht werden,
sind so winzig, daß die in ihnen enthaltene
Energie nur etwa ein Milliardstel einer Kalorie
beträgt. In Teilchenkollisionen wird diese Energie
auf einen äußerst kleinen Raum konzentriert.
Unter solch hohen Energiekonzentrationen
können neue Teilchen entstehen, deren
Untersuchung uns faszinierende Einblicke in die
Geheimnisse der Natur ermöglicht.
Detektoren -
Giganten mit Feingefühl
Teilchenkollisionen herbeizuführen ist eine
Sache, sie aber nachzuweisen eine andere. Diese
Aufgabe übernehmen Teilchendetektoren - das
sind Meßanordnungen so groß wie mehrstökkige
Häuser. Sie werden um den Kollisionspunkt
errichtet und zeichnen alles auf, was sich dort
ereignet. Mit ihrer Hilfe versuchen die Wissenschaftler,
alle herausfliegenden Teilchen aufzuspüren,
ihre Identität und Herkunft festzustellen
und die Flugbahnen zu bestimmen. Um das
zu erreichen, werden die Detektoren schalenförmig
aufgebaut.
Schematische Darstellung
des 10 m hohen ZEUS-
Detektors am HERA-Beschleuniger
in Hamburg.
Er ist aus verschiedenen
um den Kollisionsbereich
angeordneten Schichten
aufgebaut. Von innen
nach außen:
Spurenkammern (blau,
dunkelblau), supraleitende
Spule (orange), Kalorimeter
(rot/grau), mit
Myon-Kammern ausgestattetes
Eisenjoch (rot mit
blauen Streifen), Myon-
Kammern (blau), Myon-
Toroid (grün/gelb). Durch
das Zentrum des Detektors
läuft das Strahlrohr,
das mit Quadrupolen
(orange) zur Fokussierung
der Teilchenpakete
ausgestattet ist. Die Protonen
kommen von rechts
durch das Strahlrohr, die
Elektronen von links.
Die innersten Schalen dienen dazu, die Teilchenspuren
sichtbar zu machen. Dafür verwendet
man Drift- und Proportionalkammern. In
ihnen hinterlassen geladene Teilchen Ionisationsspuren,
die mit Hilfe von Signaldrähten
rekonstruiert werden können. Gleichzeitig
krümmt ein Magnetfeld die Bahn der Teilchen.
Dadurch können der Impuls, die Ladung und
bei Kenntnis der Masse die Energie der Teilchen
sowie ihr gemeinsamer Entstehungsort
genau bestimmt werden. Neben Driftkammern
werden im Inneren solcher Detektoren auch Anordnungen
aus dünnen Halbleiter-Plättchen
eingesetzt, die eine noch genauere Ortsbestimmung
liefern.
In der nächsten Schalenanordnung befinden
sich die Kalorimeter. Das sind Geräte zur Ermittlung
von Wärmemengen. In ihnen wird ein
Großteil der Teilchen absorbiert und ihre Energie
kann dadurch gemesssen werden.
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