2016 – das Jahr der Entschleunigung

Die Halle des ELENA -Entschleunigers von außen

Das CERN ist bekannt für seinen 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider LHC, welcher Energien von bis zu 6,5 TeV (Teraelektronenvolt) erreichen kann. Allerdings betreibt das CERN nicht nur den komplexesten und größten Teilchenbeschleuniger der Welt, sondern ist auch im Besitz des weltweit einzigen Synchrotron-Entschleunigers, der Forschungen innerhalb eines extrem niedrigen Energiebereichs ermöglicht.

Antimaterie – das Spiegelbild zur bekannten Materie. Zu jedem Teilchen existiert ein Gegenteilchen, das die gleiche Masse aufweist, aber in der Ladung unterschiedlich ist. Genau an diesem Punkt setzten die Antimaterie-Forscher an, die die niedrigen Energien nutzen, um Antimaterie zu untersuchen. Teilchenphysikerin Jennifer Jentzsch erklärt: "Geht man davon aus, dass Materie und Antimaterie beim Urknall laut Energieerhaltung zu gleichen Teilen entstanden sind, dann müsste es auch einen Teil des Universums geben, der aus Antimaterie besteht. Da es aber eben keine großen Antimaterie-Vorkommen im All gibt, weiß man, dass Antimaterie nicht zu 100 Prozent so aufgebaut ist wie die bekanntere Materie. Dementsprechend will man durch einen Vergleich beider Materien weitere Antworten erhalten.“

Um dieser Annahme auf den Grund zu gehen, bauten Forscher einen besonderen Beschleuniger, den sogenannten Antiprotonen Decelerator (AD), der in der Lage ist, Teilchen auf einen Energiebereich von knapp 5,3 MeV (Millionenelektronenvolt) zu verzögern. Daher der Name Entschleuniger. Antiprotonen-Wissenschaftler haben mit Hilfe des AD-Entschleunigers viele spannende Entdeckungen gemacht, jedoch stellte sich heraus, dass es besser wäre, einen weiteren Entschleuniger zu bauen, der innerhalb eines noch geringeren Energiebereichs arbeitet. Aus diesem Grund wird in diesem Jahr am CERN ein neuer Entschleuniger namens ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring) gebaut. ELENA wird mit einem Energiebereich von knapp 100 keV (Kiloelektronenvolt, also Tausendelektronenvolt) auf die Suche nach neuen Antworten gehen.

ELENA wird dabei im Grunde genommen ähnlich wie der bereits bestehende AD-Entschleuniger funktionieren: Der verlangsamte Antiprotonenstrahl vom AD wird durch Transferlinien in den 30 Meter langen und hexagonal aufgebauten Entschleuniger ELENA eingespeist. Um eine weitere Verzögerung des Strahls hervorzurufen, nutzt ELENA sogenannte supraleitende Kavitäten, die ähnlich aufgebaut sind, wie die des Boosters (einer der Vorbeschleuniger des LHCs). Die sogenannten Kavitäten sind Metallstrukturen aus Niob, in denen Mikrowellen ganz gleichmäßig hin und her wandern (bis zu 1,3 Milliarden Mal in der Sekunde). Wenn sie von einer Wand zur anderen gewandert sind, werden se von Metall reflektiert und kehren um. Die Teilchen „surfen“ sozusagen auf der Mikrowelle.

Die Antiprotonen werden beim erneuten Vorbeikommen an den Kavitäten stetig langsamer. Durch die Vorgaben für die besonders niedrige Strahlenergie und die geringe Intensität des Strahls gilt es für die Wissenschaftler, einiges zu beachten. Unter anderem benötigen die mit großer Sorgfalt entwickelten Magnete des Beschleunigers eine sehr gute Feldqualität, um im Zusammenhang mit einem Ultrahochvakuum für einen geringeren Strahlverlust zu sorgen. Nachdem die Antiprotonen verringert und konstant gehalten werden, sorgen sogenannte elektrostatische Transferlinien für eine genaue Übertragung des Strahls zu den einzelnen Experimenten.

Forscher rund um die Antimaterie haben bereits durch viele Experimente neue Informationen über die Antimaterie erhalten, denn ELENA liefert unter anderem Antiprotonen an die Experimente AEgIS, ALPHA, ASACUSA, ATRAP, BASE und GBAR, die jeweils Eigenschaften der Antimaterie untersuchen.