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Vom Urknall zum Teilchenbeschleuniger

Rasend schnelle Energie

Urknall © NASA/STScI

Die kosmische Strahlung deckt einen enormen Energiebereich ab. Zum Vergleich: Das Echo des Urknalls, die ursprünglich heiße Strahlung der kosmischen Geburt, hat sich mittlerweile auf etwa 250 Mikro-Elektronenvolt abgekühlt. Die Strahlung der Sterne im sichtbaren Spektralbereich ist mit etwa drei Elektronenvolt (eV) schon energiereicher. Dieser Bereich wird von der kosmischen (und medizinisch angewandten) Röntgenstrahlung mit zehn Kiloelektronenvolt (keV) bis 200 keV weit übertroffen. Kernprozesse in Reaktoren liefern Gammastrahlung von einigen Megaelektronenvolt (MeV).

Was hat die Teilchen beschleunigt?

Die geladene kosmische Strahlung fängt bei MeV-Energien jedoch überhaupt erst an. Sie überstreicht ein enormes Energiefenster von Megaelektronenvolt bis zu den allerhöchsten Energien von 1.020 eV. Insbesondere die kosmische Strahlung der hohen und höchsten Energie erregt das Interesse von Physikern aus aller Welt. Denn den Forschern ist bis heute nicht klar, welche Kräfte im Universum die Teilchen auf eine dermaßen hohe Energie katapultieren können.

Schon 1930 haben Physiker herausgefunden, dass man subatomare Teilchen, wie sie auch in der kosmischen Strahlung stecken, mit Hilfe elektrischer Felder auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen kann. Bringt man Teilchen mit hoher Bewegungsenergie miteinander zur Kollision entstehen eine Vielzahl von Zerfallsprodukten an Hand derer Physiker wichtige Erkenntnisse über den Aufbau der Materie im Allerkleinsten gewinnen können. Seit dem ersten Van-de-Graaff-Generator bauen Physiker zu experimentellen Zwecken immer leistungsfähigere Teilchenbeschleuniger.

Menschliche Teilchenbeschleuniger „harmlos“

Die bisher stärkste Maschine dieser Art, der ‚Large Hadron Collider’, kurz ‚LHC’ wird Ende 2007 am CERN in Genf in Betrieb genommen. Der LHC erzeugt dann Protonen mit Energien von sieben Tera-Elektronenvolt. Niemals zuvor hat der Mensch atomare Teilchen auf höhere Energien beschleunigt. Verglichen mit der hochenergetischen Strahlung aus dem All wirken die am CERN künstlich produzierten Energieskalen allerdings eher harmlos. Denn die energiereichsten Teilchen aus dem All weisen eine Energie auf, die zehn Millionen mal über derjenigen der LHC-Protonen liegt. Auch das Magnetfeld der Erde kann diese höchstenergetischen kosmischen Teilchen nicht mehr abwehren.

Atmosphäre © NASA

In den oberen Schichten der Erdatmosphäre kollidieren die primären Teilchen der kosmischen Strahlung, hauptsächlich Protonen, aber mitunter auch Atomkerne wie Helium oder Eisen, mit den Atomkernen der Moleküle der äußeren Luftschicht. Die Reaktionen der kosmischen Strahlung mit den Luftmolekülen ähneln den Stößen der Protonen am LHC. Bei diesen Zusammenstößen entstehen neue Teilchen, auch ‚sekundäre Teilchen’ genannt; gemäß der Einsteinschen Formel E = mc2 wird aus einem Teil der Energie des kosmischen Teilchens die Masse der neuen Teilchen erzeugt.

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Schauer aus Myonen, Photonen und Neutrinos

Diese neuen Teilchen stoßen ihrerseits wieder mit den Luftmolekülen zusammen, so dass sich der Prozess vielfach wiederholt, bis zum Schluss eine Anzahl von vielen Millionen Teilchen produziert wird: die Menge dieser Teilchen wird Schauer genannt. Bei der Ankunft auf der Erdoberfläche besteht der Schauer fast ausschließlich aus Elektronen, Myonen, Photonen und Neutrinos und verteilt sich, je nach Energie des kosmischen Teilchens, über eine Fläche von wenigen Quadratmetern bis hin zu vielen Quadratkilometern. Ein gewisses Kontingent der Teilchen in diesem Teilchenschauer, die Myonen, die schweren Geschwister der Elektronen, durchdringen meterdicke Gesteinsschichten und werden selbst noch in ca. 100 Metern Tiefe in den Detektoren der Hochenergiephysiker in den Tunneln am LHC nachgewiesen.

Bis zum Bau der ersten Teilchenbeschleuniger konnte die Zusammensetzung von Atomen nur an Hand der kosmischen Strahlung erforscht werden. Charles D. Anderson konnte auf diese Weise das von Paul Dirac 1928 vorhergesagte ‚Positron’, das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons, entdecken. Mit dem Bau von Teilchenbeschleunigern und der dadurch gegebenen Möglichkeit atomare Teilchen zu Forschungszwecken künstlich zu erzeugen, hat die kosmische Strahlung aber nichts von ihrer Faszination eingebüßt.

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Stand: 25.05.2007

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Superenergien aus dem All
Von kosmischen und irdischen Teilchenbeschleunigern

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Strahlenschutz-Gürtel und Polarlichter
Bombardement aus dem Weltall

Rasend schnelle Energie
Vom Urknall zum Teilchenbeschleuniger

High-Tech in der Pampa
Detektorschirm aus Wassertanks

Schneller als das Licht…
Der Cherenkov-Effekt

Kosmische Katapulte
Supernovaexplosionen bringen Teilchen auf Touren

Gefahr für die Gesundheit?
Krebsrisiko und Stimulanz für das Immunsystem zugleich

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