Proton Synchrotron

Ein Proton Synchrotron ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger, der Protonen mithilfe elektromagnetischer Felder auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Teilchen laufen in einem kreisförmigen Vakuumrohr, wobei Magnetfelder sie auf ihrer Bahn halten und bei jedem Umlauf weiter beschleunigen. Das Proton Synchrotron (PS) am CERN, 1959 in Betrieb genommen, war jahrelang der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt und dient heute als Vorstufe für den Large Hadron Collider (LHC).

Die Physik dahinter: Bei annähernder Lichtgeschwindigkeit steigt die relativistische Masse der Protonen, weshalb die Magnetfelder synchron angepasst werden müssen (daher "Synchrotron"). Die dabei freigesetzte Synchrotronstrahlung wird in der Materialforschung und Medizin genutzt. In der Protonentherapie zerstören beschleunigte Protonen gezielt Tumore.

In der Science Fiction tauchen Synchrotrons und Teilchenbeschleuniger als Waffen (Partikelstrahlwaffen), als Energiequellen oder als Werkzeuge zur Erzeugung exotischer Materie auf. In Dan Browns "Angels & Demons" produziert CERN Antimaterie. In der Hard SF von Greg Bear und Stephen Baxter sind Beschleuniger Schlüsseltechnologien für interstellare Zivilisationen. Die reale Forschung am LHC, der Higgs-Bosonen und möglicherweise Hinweise auf neue Physik liefert, liest sich oft spannender als Fiction.

Das ursprüngliche Proton Synchrotron am CERN beschleunigt heute Protonen auf 26 Giga-Elektronenvolt und ist damit das erste Glied in einer Beschleunigerkette, die beim LHC endet. Der LHC bringt Protonen auf 6,5 Tera-Elektronenvolt pro Strahl. Diese Energien entsprechen Temperaturen, die kurz nach dem Urknall herrschten, was die Maschinen gewissermaßen zu Zeitmaschinen macht, die den frühen Kosmos im Labor rekonstruieren.

Die Synchrotronstrahlung, ursprünglich als störendes Nebenprodukt betrachtet, hat eigene Forschungseinrichtungen hervorgebracht. Speicherringe wie ESRF (Grenoble), Diamond (Oxfordshire) oder BESSY II (Berlin) nutzen die intensive Röntgenstrahlung zur Strukturanalyse von Proteinen, Materialien und lebenden Zellen. Was als Teilchenphysik begann, versorgt heute die Biologie, Chemie und Materialwissenschaft mit einem der nützlichsten Forschungswerkzeuge, die es gibt.