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Die Grundidee eines Teilchenbeschleunigers ist recht einfach: Elementarteilchen (oder auch ganze ionisierte Atome, also elektrisch geladen) werden bei sehr hohen Geschwindigkeiten… Nun, was mit diesen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit gemacht wird, hängt von der Art des Projekts ab. Beschleuniger sind nicht alle gleich. Im Allgemeinen sind sie so konzipiert, dass sie eines von drei Dingen tun:
Teilchen-Teilchen-Kollisionen
Diese Teilchen und Atome werden mit hoher Geschwindigkeit platziert und dann miteinander kollidiert. Das heute größte Beispiel ist der LHC (Large Hadron Collider), in dem das Higgs-Boson nachgewiesen wurde: ein Elementarteilchen, das mit dem Mechanismus zur Entstehung der Masse anderer Elementarteilchen zusammenhängt.
Eine der Anwendungen dieser Art von Beschleuniger ist die Erzeugung von Elementarteilchen aus hochenergetischen Kollisionen. Wer hat sich noch nie gefragt: „Woraus bestehen die Dinge?“ Die Antwort auf diese Frage wird in dieser Art von Beschleuniger untersucht. Darüber hinaus haben wir mit den hohen Energien, die an Kollisionen beteiligt sind, auf der Größenskala von Atomkernen eine sehr hohe Energiedichte, was ein wesentliches Werkzeug ist, um die Eigenschaften zu untersuchen, die das Universum selbst in der fernen Vergangenheit, noch vor der Entstehung von Sternen und Galaxien, hatte.
Teilchen-Ziel-Kollisionen
Partikel und Atome werden mit hoher Geschwindigkeit platziert, um gegen Ziele aus verschiedenen Materialien zu kollidieren. Solche Beschleuniger erzeugen beispielsweise Ionenstrahlen (Atome von Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff, alle elektrisch geladen) mit hoher Geschwindigkeit. Die Anwendungen dieser Art des Beschleunigereinsatzes sind vielfältig. Zum Beispiel mit Stickstoffstrahlen, um mit einer dünnen Schicht gefrorenen Wassers zu kollidieren. Infolge der Kollision werden mehrere Cluster mit unterschiedlich vielen Wassermolekülen von der Oberfläche geschleudert und ihre Massen gemessen. Die Wechselwirkung zwischen einer Eisoberfläche und einfallenden Teilchen mit hoher Geschwindigkeit ist eine Möglichkeit, im Labor die Bedingungen verschiedener Weltraumumgebungen zu simulieren, die im gesamten Universum auftreten.
Synchrotronlicht
Die dritte Möglichkeit, diese Maschinen zu konstruieren, besteht darin, nicht die Teilchen selbst zu verwenden, sondern das Licht, das sie aussenden, wenn sie innerhalb der Beschleuniger abgelenkt werden, das sogenannte Synchrotronlicht. Jedes elektrisch geladene Teilchen, das einer Beschleunigung ausgesetzt ist, sendet elektromagnetische Strahlung, also Licht, aus. Es ist wichtig zu beachten, dass wir, wenn wir von „Licht“ sprechen, uns nicht nur auf sichtbares Licht beziehen, sondern auf verschiedene Bänder von „Licht“ (elektromagnetische Strahlung) mit unterschiedlichen Frequenzen, wie Infrarot-, Ultraviolett- und Röntgenstrahlen.
In diesen Beschleunigern werden geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und durchlaufen dann Regionen mit intensivem Magnetfeld, die sie dazu bringen, ihren Kurs zu ändern. Die Abweichung der Bahn, also einer Kurve, erzeugt eine Beschleunigung auf dem Teilchen und lässt es Synchrotronlicht emittieren. Derzeit gibt es Dutzende von Synchrotronbeschleunigern auf der ganzen Welt.
Das Hauptaugenmerk dieser Art von Beschleunigern liegt darauf, dass sie als Lichtquelle für verschiedene experimentelle Techniken dienen. Wenn man sich zum Beispiel dafür entscheidet, mit der Emission von ultraviolettem Licht durch das beschleunigte Teilchen zu arbeiten, kann dieses Licht als Anregungsquelle für die Fluoreszenzspektroskopie dienen. Wenn der Röntgenbereich ausgewählt ist, können sie für experimentelle Kristallographietechniken verwendet werden, die die Identifizierung der Kristallstruktur verschiedener Materialien ermöglichen.
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