Teilchenbeschleuniger -Unterschied zwischen Linear -und Zirk

Danyoe · Anmeldungsdatum: 13.03.2010 Beiträge: 3

Meine Frage:
Hallo liebes Forum!

Habe diese Seite erst vor kurzem entdeckt und muss sagen, dass sie mir sehr gefällt.
Habe bereits viel Wissen und Tipps hier sammeln können doch nun habe ich eine persönliche Frage zu einem physikalischen Thema.

Ich bin in der 13. Klasse und stehe kurz vor meiner Präsentationsprüfung und ich habe das Thema "Teilchenbeschleuniger".

Ich habe das Thema bereits sehr weit ausgearbeitet doch habe eine Frage, worauf ich leider keine plausible Antwort darauf bekommen konnte .
Meine Frage ist:
Wo GENAU ist der Unterschied zwischen einem Linearbeschleuniger und einem Kreisbeschleuniger? Und ist denn ein Linearbeschleuniger kilometerlang nur gerade aufgebaut oder doch (wie man auf vielen Bildern sehen kann) als Kreis.
Und deshalb, was ist das besondere/ der Unterschied zum Kreisbeschleuniger?

Ich würde mich extrem freuen, wenn ihr mir eine Antwort geben könntet und es wäre sehr nett, wenn ihr mir nicht sofort den Wikipediaartikel zu linken würdet, denn da habe ich nicht die Antwort gefunden :)

Ich bedanke mich schon im Voraus.

Mit freundlichen Grüßen Daniel

Meine Ideen:
Der Kreisbeschleuniger ist "spiralförmig" aufgebaut, der Linearbeschleuniger im Kreis (?)

bishop · Moderator Anmeldungsdatum: 19.07.2004 Beiträge: 1133 Wohnort: Heidelberg

Also, im Wesentlichen gibt es den Linearbeschleuniger, das Synchrotron und das Zyklotron, alle drei haben jeweils einen Wikiartikel, die wirst du ja auch gelesen haben.

Der Linearbeschleuniger beschleunigt die Teilchen auf einer Geraden (hätte man sich denken können^^), das Synchrotron zwingt die Teilchen auf eine Kreisbahn (mehr oder weniger, häufig sieht das auch wie ein Rechteck mit abgerundeten Ecken) und das Zyklotron macht eine spiralförmige Bahn.

Wozu das ganze?

Das Problem ist die sogenannte Synchrotronstrahlung. Darunter versteht man das Licht, das eine Ladung abstrahlt wenn sie von ihrer Bahn abgelenkt wird. Die Strahlung, und der damit verbundene Energieverlust steigt mit der Teilchengeschwindigkeit und auch mit der Stärke der Ablenkung, also der Krümmung der Kreisbahn.

Das bedeutet im Idealfall würde man am liebsten nur Linearbeschleuniger bauen, da es hier keine Synchrotronstrahlung gibt. Das Problem hier ist, dass dann die Beschleuniger viele Kilometer lang werden, da man sehr lange Beschleunigungsstrecken braucht um die Teilchen auf die sehr hohen Energien zu bringen.

Deswegen sieht man sich gezwungen Kreisbeschleuniger zu bauen, da man durch die vielen Umläufe eine sehr starke Beschleunigunsstrecke realisieren kann. Das Problem ist hier aber die Synchrotronstrahlung, die eine Grenze für die Maximalenergie, die die Teilchen haben setzt. Irgendwann nämlich stellt sich ein Gleichgewicht ein, das Teilchen verliert genausoviel an Energie in der Kurve wie es auf der Beschleunigungsstrecke bekommen hat. In diesem fall wird der Beschleuniger zu einem "Speicherring", in dem die Teilchen stundenlang rumschwirren bei sehr hohen Energien. Manchmal nutzt man sogar die eigentlich unerwünschte Synchrotronstrahlung für Experimente, da diese einige wünschenswerte Eigenschaften haben.

Das Zyklotron wird heutzutage nicht für Großprojekte eingesetzt, da es technisch schwierig wird Teilchen auf über 10% Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Der Vorteil hier ist aber die kompakte Bauweise, deswegen hat das mehr ein Nischendasein. Steht aber alles in dem Wikiartikel, ich wollte das nur der Vollständigkeit halber erwähnen.

Meld dich wenn ich was vergessen habe oder du noch Fragen hast =)

gruß, bishop

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Für die Synchrotronstrahlung gilt

D.h. dass der Energieverlust proportional mit der vierten Potenz des Verhältnisses von Energie zu Ruhenenergie steigt. Üblicherweise legt man die Energie fest, bei der man den Beschleuniger betreiben = Experimente durchführen möchte. DIese Energie erreicht man offensichtlich um so besser, je kleiner dieser Faktor ist.

Betrachten wir den LHC bei einer (relativ geringen) Teilchenenergie von 1 TeV, d.h. ca. dem Tausendfachen der Protonmasse. Der Faktor ist demnach

. Wenn man die selbe Energie mit Elektronen erreichen wollte, wäre der Energieverlust um einen Faktor

höher, denn ein Elektron hat nur ca. 511 keV, also ein Zweitausendstel der Protonmasse.

Dies lässt sich auch durch größere Radien nicht kompensieren, da der Radius nur in der ersten Potenz eingeht.

Danyoe · Anmeldungsdatum: 13.03.2010 Beiträge: 3

Also ich bedanke mich erst einmal recht herzlich für eure ausführlichen Antworten. Ich denke das hat mich auf jeden Fall weitergebracht smile

Ich werde mich melden, wenn ich weitere Fragen habe.

Vielen Dank!

Danyoe · Anmeldungsdatum: 13.03.2010 Beiträge: 3

Ok da fällt mir jetzt noch eine sehr wichtige aber jedoch subjektiv beantwortbare Frage ein:

Ist denn der Teilchenbeschleuniger überhaupt ein imposantes projekt, durch welchen in der zukunft neue erwissenschaften entdeckt werden könnten?
Ich habe gelesen, dass durch ihn das Higgs-Teilchen (endlich) gefunden werden könnte und der Urknall inszeniert werden soll.
Was sagt ihr dazu, und WIE WEIT denkt ihr, kann uns der Teilchenbeschleuniger physikalische Funde geben? also von der praxis und vom rein theoretischen her.

Würde mich über eine Antwort freuen und ich könnte mir ein paar subjektive meinungen darüber erschaffen, um natürlich meine EIGENE daraus bilden zu können.

Danke euch smile

!

bishop · Moderator Anmeldungsdatum: 19.07.2004 Beiträge: 1133 Wohnort: Heidelberg

naja das Problem ist im Wesentlichen, dass am CERN und anderen Großprojekten erstmal Grundlagenforschung betrieben wird. Es ist wirklich so, dass man einfach nicht weiss ob es nicht irgendwelche Überraschungen gibt, wenn man die Teilchenenergie um ein Paar Elektronenvolt erhöht.
Im Gegensatz zur Mathematik lassen sich in der Physik keine allgemeingültigen Aussagen machen, deswegen muss eine Theorie stets durch Experimente gestützt werden.

Insgesamt steht hinter der Teilchenphysik der Wunsch unser Universum möglichst gut zu verstehen. Das hat offensichtlich erstmal keinen objektiven Wert und nutzt der Menschheit zunächst nur wenig. Es gibt viele Theorien über den fundamentalen Aufbau des Universums und im Wesentlichen ist es so, dass die Unterschiede sich erst bei hohen Energien zeigen. Das ist klar, wenn man bedenkt, dass jede Theorie so konstruiert ist, dass sie in den "klassischen Grenzfall" übergeht bei den Skalen, wie sie dem Menschen problemlos zugänglich ist. Jede Theorie muss schliesslich adäquat beschreiben können was wir schon jetzt wissen.

Darum baut man also große Beschleuniger und versucht zu immer höheren Energien zu kommen, eigentlich steht da einfach nur der Wunsch dahinter einen intellektuellen Streit beizulegen wer denn nun recht hat^^

Gleichzeitig ist es aber so, dass solche Großprojekte sich noch jedesmal ausgezahlt hat in dem Sinne, dass man "nebenher" ingenieurwissenschaftliche Großtaten vollbracht hat und der Welt jedemal technologischen Fortschritt beschert hat.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

bishop · Moderator Anmeldungsdatum: 19.07.2004 Beiträge: 1133 Wohnort: Heidelberg

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Ich habe keine Empfehlung im Sinne von "kurz mal nachlesen" - außer vielleicht Wikipedia - daher in eigenen Worten:

Üblicherweise werden Massenterme als freie Parameter in die Lagrangedichte eingeführt, d.h. z.B. als

Der erste Term ergäbe einen Massenterm für Eichbosonen. Nun ist aber bekannt, dass dies die Eichsymmetrie

bricht und (im Zuge der Quantisierung) die Renormierbarkeit der Theorie zerstört. Daher benötigt man einen anderen Mechanismus, der einen Massenterm generiert, allerdings die Eichsymmetrie (in einer gewissen Betrachtungsweise) erhält. Mit der "gewissen Betrachtungsweise" meine ich folgendes: Man betrachte die Bewegung eines Planeten um die Sonne; das Problem ist sicher invariant unter Rotationen, also symmetrisch bzgl. der SO(3). Die Wahl einer speziellen Bahnebene bricht diese SO(3) zu einer SO(2), also Rotationen in dieser Ebene. Diese Brechung geschieht jedoch für eine spezielle Lösung, nicht für die Lagrangefunktion, daher ist die SO(3) sozusagen spontan, aber nicht explizit gebrochen.

Der zweite Term ergäbe einen Massenterm für Fermionen. Er ist zunächst unproblematisch und wird üblicherweise als Fermion-Massenterm verwendet. In der el.-schw. Theorie liegt allerdings eine erweiterte Symmetrie bzgl. getrennter rechts- und links händigen Fermionen vor. Linkshändige Teilchen sind Iso-Dubletts bzgl. der el.-schw. SU(2), rechtshändige Teilchen dagegen Iso-Singuletts. D.h. dass auch ein gewöhnlicher Fermion-Massenterm die Eichsymmetrie brechen würde. Hintergrund ist, dass der Massenterm links- und rechtshändige Teilchen aneinander koppelt.

Nun kann man sich auf die Suche nach Mechanismen begeben, die die Eichsymmetrie erhalten, allerdings einen Massenterm generieren.

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Der bekannteste Mechanismus stammt von Higgs u.a. Er ist relativ einfach zu verstehen, hat allerdings die unschöne Eigenschaft, ein neues Teilchen einzuführen, das seltsame Eigenschaften hat:
- es ist der einzige Skalar im Standardmodell
- es verhält sich unschön bzgl. Renormierung (es ist unklar, warum die Massenkorrekturen klein bleiben sollen)
- seine Masse ist aus der Theorie nicht vorhersagbar
- die Form der Kopplung ersetzt freie Massenparameter der einzelnen Fermionen durch genausoviele freie Kopplungskonstanten
- es wurde bisher noch nicht beobachtet
Außerdem sieht es so aus wie Modelle aus der Festkörperphysik; dort weiß man jedoch, dass ein derartiges Feld immer nur ein effektives Feld ist, das aus elementateren Feldern aufgebaut ist.

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Eine Alternative stellen Strahlungskorrekturen zu den W- und Z-Massen dar, d.h. reine Quanteneffekte, die eine entsprechende Masse generieren. Die entsprechenden Theorien erscheinen ebenfalls etwas unschön. Soweit ich das gesehen habe, müssen nicht-renormierbare Theorien verwendet werden, da in renormierbaren Theorien der el.-schw. WW die Masse eines zunächst masselosen Eichbosons aufgrund der Eicnsymmetrie immer Null bleibt.

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Eine weitere Alternative wären Vier-Fermion-WWs, d.h.Terme der Form

Durch diese Selbst-WW könnte ein sogenanntes Kondensat, d.h. ein nicht-verschwindender Vakuumerwartungswert eines bilinearen Fermion-Operators einen Massenterm erzeugen. Man vermutet, dass das Top-Quark verantwortlich sein könnte, da es aufgrund seiner extrem hohen Masse im Bereich der el-schw. Massenskala sowieso eine Sonderstellung einnimmt.

Es gibt auch erweiterte Theorien, bei denen eine neue Eichsymmetrie eingeführt wird, z.B. die sogenannte (erweiterte) Technicolor-oder Top-Color-Theorie.

All diese Ansätze sind letztlich nicht wirklich einfacher als dass Higgs selbst.

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Eine Alternative, die in die Richtung der o.g. Ideen aus der Festkörperphysik geht, ist das sogenannte "little Higgs". Dabei treten die Higgs-Felder als Goldstone-Bosonen einer erweiterten, spontan gebrochen globalen Symmetrie auf. Außerdem sind sie nicht anfällig gegen Quantenkorrekturen der Masse, d.h. sie bleiben leicht. Allerdings werden auch hier wieder neue Felder (zwar nicht die Higgs-Felder selbst, aber eben andere Skalarfelder) benötigt.

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Anmerkung: zwar kann die Higgs-Masse nicht direkt aus Lagrangedichte abgelesen werden, da es sich um einen freien Parameer handelt, allerdings treten die Higgs-Teilchen natürlich in Quantenkorrekturen zu anderen Prozessen als virtuelle Teilchen auf. Die Feynman-Diagramme dieser Prozessen enthalten die virtuellen Higgs-Teilchen als Propagatoren mit einem Pol bei der Higgs-Masse, d.h. die Amplitude des Prozesses hängt (sehr indirekt) von der Higgs-Masse ab. Damit kann zumindest ein erlaubter Massenbereich des Higgs festgelegt werden. Es ist heute unverständlich, wieso die Higgs-Masse klein bleibt; eigentlich würde man erwarten, dass sie über Renormierungsgruppeneffekte sehr groß wird. Modelle zum Higgs sollten ebenfalls eine Lösung dieses sogenannten Hierarchieproblems bieten.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Falls euch derartige Diskussionen interessieren, hier die Einladung, auch mal in folgendem Forum vorbeizuschauen:

Abenteuer-Universum
Abenteuer-Universum: Elementarteilchenphysik

bishop · Moderator Anmeldungsdatum: 19.07.2004 Beiträge: 1133 Wohnort: Heidelberg

super, ich bin begeistert und bedanke mich! Thumbs up!

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Gern geschehen!