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23.06.2010

Wie funktioniert ein Hohlraumresonator?

Antwort

Hohlraumresonatoren (oder Kavitäten, englisch: cavities) sind die Teile eines Beschleunigers, in denen die Teilchen mit Hilfe elektrischer Felder beschleunigt werden. Dazu wird in einem besonders geformten Hohlraum eine elektromagnetische Welle mit hoher Frequenz angeregt. Die Form des Hohlraums und die Frequenz der Welle werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Welle hin- und herreflektiert wird und sich eine stehende Welle ausbildet – es kommt zur Resonanz. Das ist vergleichbar mit dem Schwingen einer Gitarrensaite, die – einmal angezupft – lange Zeit in ihrer Resonanzfrequenz schwingt. Fliegt jetzt zur richtigen Zeit ein Teilchen durch die Cavity, so wird es von dem elektrischen Feld der Welle beschleunigt – ähnlich einem Wellenreiter, der auf einer Wasserwelle surft. Kommt ein Teilchen hingegen zur falschen Zeit durch die Cavity, wird es nicht beschleunigt oder gar abgebremst. Das ist der Grund dafür, dass die Teilchen in Teilchenbeschleunigern immer nur in Paketen beschleunigt werden können.

Einschub für Fortgeschrittene: Je nach dem wie die Cavity gebaut ist, breiten sich die elektromagnetischen Felder in verschiedenen Moden, das heißt in verschiedenen Kombinationen und Ausrichtungen von elektrischen und magnetischen Feldern, in ihr aus. Für viele Anwendungen ist besonders die so genannte TM_{01}-Mode wichtig. Hierbei bildet sich auf der Mittelachse des Hohlraums – dort, wo die Teilchen fliegen – ein longitudinales elektrisches Feld aus, das zeitlich oszilliert. Die Teilchen, die mit der Oszillation in Phase sind, werden so beim Durchlaufen des Hohlraums beschleunigt.

In viel älteren Beschleunigern, die noch bei niedrigeren Energien betrieben wurden, musste man die Beschleunigungsfrequenz an die Geschwindigkeit der Teilchen anpassen bzw. synchronisieren – daher auch der Name „Synchrotron“. Die Teilchen im LHC fliegen allerdings stets fast mit Lichtgeschwindigkeit, egal ob sie gerade die Einschussenergie von 450 Giga-Elektronenvolt haben oder die Höchstenergie von zurzeit 3,5 Tera-Elektronenvolt. Sie werden durch die Beschleunigung im LHC fast nicht mehr schneller, sondern nur noch schwerer – ein relativistischer Effekt, da nach der Relativitätstheorie Teilchen, die eine Masse haben, niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Deshalb können in modernen Beschleunigern, die sehr hohe Energien erreichen, die Teilchen mit elektromagnetischen Feldern mit konstanter Frequenz beschleunigt werden. Beim LHC liegt die Frequenz bei 400 MHz.

Thomas Schörner-Sadenius, DESY

Thomas Schörner-Sadenius hat in zahlreichen Experimenten gearbeitet: Crystal Barrel, OPAL, H1, ATLAS. Zur Zeit ist er Mitglied der Kollaborationen ZEUS und CMS und beschäftigt sich dort mit Studien der starken Wechselwirkung und der Suche nach neuer Physik in Proton-Proton-Kollisionen.

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