Frage: Wie verhält sich ein Teilchenbeschleuniger?

Maria Haupt Beantwortet am 15 Nov 2021:

Hallo Korvin

Ich weiß nicht, ob ich deine Frage wirklich richtig verstehe. Aber ich versuche mal darauf zu antworten.

Da du die Frage an mich gestellt hast, gehe ich mal davon aus, dass du die Teilchenbeschleuniger im Weltall meinst, die ich suche.
Ich habe eine ähnliche Frage schon mal hier beantwortet:

Hallo Maria! Ich finde Ihr Themengebiet ziemlich interessant. Aber was meinen Sie mit Teilchenbeschleuniger im Weltall

Da kannst du auch gerne noch einmal nachlesen.

Wenn wir von Teilchenbeschleunigern im Weltall reden, dann meinen wir nicht solche Teilchenbeschleuniger, die wir auf der Erde bauen, sondern natürliche Objekte im Weltall. Das können ganz verschiedene Objekte sein. Die bekanntesten und häufigsten sind Supernova-Überreste (das Material, das bei einer Sternexplosion weg vom Stern geschleudert wird und sich meistens ringförmig weiter ausbreitet), Pulsare (ganz schnell rotierende Neutronensterne, also extrem schwere kleine Sterne, die aus Neutronen bestehen), Pulsarwindnebel (Pulsare können auch Material abgeben, dass wie ein Nebel um den Pulsar aussieht), Doppelsternsysteme (also 2 umeinanderkreisende Sterne oder ein Stern und ein Pulsar / schwarzes Loch, wobei mindestens ein Stern einen starken Wind haben muss), Sternentstehungsgebiete (also Regionen, in denen es viel Gas gibt, aus dem viele neue Sterne entstehen) oder auch weit entfernte Galaxien (vermutlich ausgelöst durch Materie, die in das schwarze Loch im Zentrum der Galaxie fällt). Die Teiclehn, die beschleunigt werden, sind allerdings die gleichen und zwar sind das vor allem Elektronen und Protonen (und ein paar schwerere Atomkerne).
Die Teilchen werden auf verschiedene Weisen beschleunigt. In den Supernova-Überresten, Pulsarwindnebeln, Doppelsternsystemen und Sternentstehungsgebieten spielen sogenannte „Schocks“ eine wichtige Rolle. In solchen Schocks treffen Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten aufeinander und bilden eine Art Teilchenwand, sie aber sehr dynamisch ist. Sie bewegt sich im Raum weiter und Teilchen können durch die Wand hindurch „fliegen“, was sie auch tun. Jedes mal, wenn ein Teilchen durch diese Wand hindurchfliegt, bekommt es einen „Schubs“ und wird ein bisschen schneller. Wenn es schnell genug ist, dann kann es aus diesem Schock entkommen und weiter durch das Weltall fliegen. Das ist vergleichbar mit einer Rakete, die die Erde verlassen möchte. Nur wenn sie schnell genug ist, kann sie die Erdanziehungskraft überwinden und die Erde verlassen. Die Teilchen, die den Schock nun verlassen haben, fliegen nun frei durch das Weltall, wobei die meisten innerhalb der Galaxie bleiben. Nur extrem schnelle Teilchen können die Galaxie evtl auch verlassen. Ein paar davon treffen auch irgendwann auf unsere Erde und wir können sie mit unseren Teleskopen oder anderen Messgeräten messen.
In Pulsaren oder auch in weit entfernten Galaxiekernen werden die Teilchen anders beschleunigt und zwar in sogenannten „Jets“. Das sind quasi Teilchenstrahlen (ein bisschen kann man sich das wie einen Laser vorstellen), die von dem Objekt aus ins Weltall zeigen. Die genauen Prozesse sind allerdings sehr kompliziert und zum Teil auch noch nicht vollständig verstanden…
Wie viele Teilchen und wie schnell sie beschleunigt werden, hängt nun davon ab, wie stark der Schock ist (also wie hoch die Geschwindigkeiten beider Teilchenwolken sind, die aufeinander treffen) und wie viele Teilchen in dem Schock sind (also genau genommen vom Druck und der Dichte in dem Schock).
Die Objekte im Weltall, die die teilchen beschleunigen verändern sich mit der Zeit schon, aber das passiert auf ganz unterschiedlichen Zeitskalen. Ein schwarzes Loch kann Teilchen in extrem kurzer Zeit (von Sekunden bis Minuten) beschleunigen und auch schnell wieder aufhören, sodass wir nur ein paar Sekunden oder Minuten lang Teilchen mit hohen Geschwindigkeiten (wir sagen mit hhen Energien) messen können. Andere Objekte, wie z.B. Supernova-Überreste oder Pulsarwindnebel können über mehrere tausend Jahre hinweg Teilchen beschleunigen. Je älter sie werden, desto weniger Teilchen werden dann beschleunigt und die Energien der Teilchen werden geringer, bis sie so gering sind, dass wir sie nicht mehr messen können. Das hängt aber auch noch von anderen Eigenschaften wie z.B. dem Magnetfeld ab oder auch dem Licht von anderen Sternen in der Nähe. Denn die Teilchen wechselwirken mit dem Magnetfeld oder auch mit dem Licht.
Da die geladenen Teilchen ja in Magnetfeldern abgelenkt werden, werden sie auch im Magnetfeld in unserer Galaxie, der Milchstraße, abgelenkt. Sie wandern also kreuz und quer durch die Galaxie, bevor sie uns erreichen. Wenn wir die Teilchen nun messen, dann können wir nicht mehr sagen, wo sie einmal beschleunigt wurden. Deshalb messe ich zum Beispiel mit meinen Kollegen auch nicht diese Teilchen, sondern Licht, das durch diese Teilchen erzeugt wurde. Jedes Mal, wenn ein Elektron oder Proton imMagnetfeld abgelenkt wird, wird es ein bisschen langsamer. Das heißt es gibt Energie ab. Diese Energie gibt es in Form eines Lichtteilchens (Photon) ab. Je nachdem, wieviel Energie das Elektron oder Proton abgibt, hat das Photon viel oder wenig Energie erhalten. Dieses Photon wird nun nicht mehr im Magnetfeld abgelenkt, da es nicht geladen ist. Auch wechselwirken Elektronen und Protonen mit anderen Photonen im Weltall und erzeugen so neue Lichtteilchen. Wenn wir also auf einmal ganz viele solche Photonen von einem Objekt messen, dann wissen wir, dass dort Teilchen beschleunigt wurden. Dieses Licht unterscheidet sich von dem Licht, dass wir mit unseren Augen sehen können, darin, dass es ganz andere Energien hat und einem bestimmten Spektrum folgt – also eine bestimmte Anzahl an Teilchen mit bestimmten Energien erzeugt wird. Und dieses Spektrum ist für jedes Objekt im Universum, das Teilchen beschleunigt, anders. Aber weil wir mit ganz vielen verschiedenen Teleskopen diese Objekte beobachten, messen wir ganz verschiedenes Licht und andere Eigenschaften und so können wir herausfinden, um was für ein Objekt es sich handelt.

Ich hoffe, ich konnte deine Frage beantworten.
Wenn du allerdings Teilchenbeschleuniger, die wir auf er Erde gebaut haben, meinst, dann solltest du die Frage vielleicht noch einmal an die anderen Wissenschaftler richten, denn da bin ich kein Experte 😉
Ich kann dir nur grob sagen, dass die Beschleunigung in der Regel über Magnetfelder erfolgt und die Teilchen auch mittels Magnetfeldern auf ihrer Bahn gehalten werden. Dieser Teilchenstrahl wir dann entweder auf ein bestimmtes Material gelenkt, das fest installiert ist, oder es werden zwei in entgegengesetzte Richtungen fliegende Teilchenstrahlen aufeinander gelenkt, sodass die Teilchen aufeinanderstoßen. Dabei treffen sich einige der Teilchen und zerfallen in ihre Bestandteile und erzeugen dabei noch andere Teilchen. Diese Telchen messen wir dann mit großen Detektoren. Je nachdem wonach man sucht, sind die Detektoren anders aufgebaut. Anhand der Ergebnisse können die Wissenschaftler dann sagen, welche Teilchen sie gemessen haben.