Das Zyklotron und die Teilchenphysik

Die Geschichte der Teilchenphysik ist eine Geschichte des Suchens nach immer kleineren Materiestücken. Als Wissenschaftler tief in die Zusammensetzung des Atoms vordrangen, mussten sie einen Weg finden, es aufzuteilen, um seine Bausteine ​​zu erkennen. Diese werden "Elementarteilchen" genannt. Es erforderte viel Energie, um sie aufzuteilen. Das bedeutete auch, dass Wissenschaftler neue Technologien entwickeln mussten, um diese Arbeit zu erledigen.

Dafür entwickelten sie das Zyklotron, eine Art Teilchenbeschleuniger, der ein konstantes Magnetfeld verwendet, um geladene Teilchen zu halten, während sie sich immer schneller in einem kreisförmigen Spiralmuster bewegen. Schließlich treffen sie auf ein Ziel, wodurch Sekundärteilchen entstehen, die von Physikern untersucht werden können. Zyklotrons werden seit Jahrzehnten in Experimenten der Hochenergiephysik verwendet und sind auch für medizinische Behandlungen bei Krebs und anderen Erkrankungen nützlich.

Die Geschichte des Zyklotrons

Das erste Zyklotron wurde 1932 von Ernest Lawrence in Zusammenarbeit mit seinem Studenten M. Stanley Livingston an der University of California in Berkeley gebaut. Sie platzierten große Elektromagnete in einem Kreis und entwickelten dann eine Methode, um die Partikel durch das Zyklotron zu schießen, um sie zu beschleunigen. Für diese Arbeit erhielt Lawrence 1939 den Nobelpreis für Physik. Zuvor war der verwendete Hauptteilchenbeschleuniger ein linearer Teilchenbeschleuniger, Iinac kurz gesagt. Der erste Linac wurde 1928 an der Aachener Universität in Deutschland gebaut. Linacs werden heute noch verwendet, insbesondere in der Medizin und als Teil größerer und komplexerer Beschleuniger. 

Seit Lawrence 'Arbeit am Zyklotron wurden diese Testeinheiten auf der ganzen Welt gebaut. Die University of California in Berkeley hat mehrere davon für ihr Strahlenlabor gebaut, und die erste europäische Einrichtung wurde im russischen Leningrad am Radium Institute eingerichtet. Ein weiteres wurde in den Anfangsjahren des Zweiten Weltkriegs in Heidelberg gebaut. 

Das Zyklotron war eine große Verbesserung gegenüber dem Linac. Im Gegensatz zum Linac-Design, bei dem eine Reihe von Magneten und Magnetfeldern erforderlich waren, um die geladenen Teilchen in einer geraden Linie zu beschleunigen, bestand der Vorteil des kreisförmigen Designs darin, dass der Strom geladener Teilchen weiterhin durch dasselbe Magnetfeld fließt, das von den Magneten erzeugt wurde immer und immer wieder ein wenig Energie zu gewinnen, jedes Mal, wenn es dies tat. Wenn die Teilchen Energie gewinnen, bilden sie immer größere Schleifen um das Innere des Zyklotrons und gewinnen mit jeder Schleife mehr Energie. Schließlich würde die Schleife so groß sein, dass der Strahl energiereicher Elektronen durch das Fenster strömen und an diesem Punkt zur Untersuchung in die Bombardierungskammer gelangen würde. Im Wesentlichen kollidierten sie mit einer Platte und diese zerstreute Partikel in der Kammer. 

Das Zyklotron war der erste zyklische Teilchenbeschleuniger und bot eine viel effizientere Möglichkeit, Teilchen für weitere Untersuchungen zu beschleunigen. 

Zyklotrons in der Moderne

Noch heute werden Zyklotrons in bestimmten Bereichen der medizinischen Forschung eingesetzt. Ihre Größe reicht von ungefähr Tischkonstruktionen bis hin zu Gebäudegrößen und mehr. Ein anderer Typ ist der Synchrotron-Beschleuniger, der in den 1950er Jahren entwickelt wurde und leistungsstärker ist. Die größten Zyklotrons sind das TRIUMF 500 MeV-Zyklotron, das noch an der Universität von British Columbia in Vancouver, British Columbia, Kanada, in Betrieb ist, und das supraleitende Ringzyklotron im Riken-Labor in Japan. Es ist 19 Meter breit. Wissenschaftler verwenden sie, um die Eigenschaften von Partikeln zu untersuchen, die als kondensierte Materie bezeichnet werden (wobei Partikel aneinander haften).

Modernere Teilchenbeschleunigerkonstruktionen, wie sie beim Large Hadron Collider eingesetzt werden, können dieses Energieniveau bei weitem übertreffen. Diese sogenannten "Atomzerstörer" wurden gebaut, um Teilchen auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommt, da die Physiker immer kleinere Materiestücke suchen. Die Suche nach dem Higgs-Boson ist Teil der Arbeit des LHC in der Schweiz. Weitere Beschleuniger gibt es im Brookhaven National Laboratory in New York, in Fermilab in Illinois, bei der KEKB in Japan und anderen. Dies sind sehr teure und komplexe Versionen des Zyklotrons, die alle dem Verständnis der Teilchen gewidmet sind, aus denen die Materie im Universum besteht.