Teilchenphysik: Experimentelle Teilchenphysik

Physik Teilchenphysik Experimentelle Teilchenphysik

Die Erde wird ununterbrochen aus dem Weltall mit verschiedensten Teilchen beschossen, insgesamt treffen auf die äußere Erdatmosphäre ca. 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch die hohen Energien, welche sie haben, wechselwirken sie sowohl mit anderen kosmischen Teilchen als auch mit der Materie in der Atmosphäre. In folge dessen zerfallen sie in der Erdatmosphäre zu neuen Teilchen und bieten so den Teilchenphysikern eine praktische Teilchenquelle. Da die Teilchen - wie in der speziellen Relativitätstheorie gefordert - durch ihre hohen Geschwindigkeiten langsamer altern, können manche von ihnen noch bis zum Erdboden fliegen, bevor sie - in für die Forscher uninteressante Teilchen - zerfallen. Da jedoch andere Teilchen bereits weit über dem Meeresspiegel zerfallen, musste man die Detektoren möglichst weit nach oben bringen. Dafür gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten: entweder baut man die Observatorien möglichst hoch in den Bergen oder man baut die Detektoren möglichst kompakt und lässt sie mit einem Ballon (sowohl "Wetterballone" als auch "Heißluftballone" sind möglich) in die Höhe steigen.

Kosmischer Teilchenschauer: Mögliche Entstehungsketten durch das Eindringen eines hochenergetischen Teilchens in die Atmosphäre.

Kosmische Strahlung

Durch die Kosmische Strahlung wurden folgende Teilchen entdeckt:

• 1932: Entdeckung des  Positrons
• 1936: Entdeckung des Myons
• 1947: Entdeckung des geladenen Pions (π^-)

Teilchenbeschleuniger

Wenn man nicht nur warten will, bis interessante Teilchen ankommen, dann muss man sich selber welche produzieren. Auch sind die Teilchen, welche in der Kosmischen Strahlung oder anderen natürlichen Prozessen zu beobachten sind beschränkt. Dabei arbeitet man mit der Einsteinschen Energie-Masse-Äquivalenz. Wenn man leichte Teilchen mit großer kinetischer Energie - also mit hohen Geschwindigkeiten - kollidieren lässt, kann man durch die große Energie Teilchen mit großer Masse erzeugen. Auf diese Weise kann man neue schwerere Teilchen finden. Grundsätzlich lassen sich nur Teilchen mit elektrischer Ladung beschleunigen, denn alle Teilchenbeschleuniger basieren auf dem selben Prinzip: eine Spannung zwischen zwei Elektroden zieht ein geladenes Teilchen zu der, der Teilchenladung entgegengesetzt geladenen, Elektrode. Wobei sich die Beschleunigungsenergie wie folgt berechnet:

[Kinetische Energie] = [geleistete Arbeit]
  = [Kraft] x [Abstand]
  = [Teilchenladung] x [elektrisches Feld] x [Abstand]
  = [Teilchenladung] x [Spannung]/[Abstand] x [Abstand]
  = [Teilchenladung] x [Spannung]

Somit hängt die Beschleunigung nur von der Teilchenladung und der angelegten Spannung ab.

Linearbeschleuniger

Beim Linearbeschleuniger wird das Teilchen durch linear hintereinander angeordnete elektrische Felder geschickt. Durch die Ladung erhält es in jedem der Felder eine geradlinige Beschleunigung.
Die elektrischen Felder werden durch Anlegen von Wechselspannung an Spulen in Röhren, welche um den Teilchenstrahl gewundenen sind, erzeugt - Gleichspannung erwies sich als ungeeignet, da sie bei höheren Energien einen Lichtbogen erzeugt. Die elektrischen Felder sind der Stärke nach aufsteigend sortiert, wodurch die kinetische Energie der Teilchen in relativ kleinen Schritten zunimmt. Die Wechselspannung wird so synchronisiert, dass das Potenzial der folgenden Röhre immer entgegengesetzt zur Ladung des Teilchens ist, während die Röhre in der das Teilchen sich momentan befindet die gleiche Ladung wie das Teilchen hat. Das komplette System wird - wie bei allen Teilchenbeschleunigern - in ein Vakuumrohr eingeschlossen, um zu verhindern, dass die Teichen ihre Energie in Kollisionen mit Luftmolekülen verlieren. Durch die Verwendung von vielen einzelnen Spulen, kann man mit relativ geringen Spannungen sehr hohe Beschleunigungsenergien erreichen. So beträgt der kinetische Energie Zuwachs eines Teilchens, in einem Linearbeschleuniger mit 25 Spulen von je 100.000 Volt, 2,5 MeV. Dabei sollte erwähnt werden, dass Linearbeschleuniger oft hunderte oder tausende Rohre enthalten. Das Problem bei solchen Linearbeschleunigern ist, dass man um höhere Energien zu erreichen, die Linearbeschleuniger immer länger bauen muss. Der Platz limitiert also die erreichbaren Energien. Auch ist der Bau großer Linearbeschleuniger äußerst kostspielig, da eine Vielzahl an Spulen und Stromwandlern benötigt wird.

Schematische Darstellung eines Linearbeschleunigers

Aus diesen Gründen haben Linearbeschleuniger in der modernen Teilchenphysik nur noch eine geringe Bedeutung. Sie werden jedoch noch sehr häufig als Vorbeschleuniger für andere Beschleuniger verwendet. Es gibt jedoch noch wenige große und wichtige Linearbeschleuniger, von welchen der 3,2 km lange  SLAC in Kalifornien der längste ist - er beschleunigt Elektronen und Positronen auf Energien von 50 GeV. Es gibt Planungen für einen neuen Linearbeschleuniger den  International Linear Collider, dieser soll 40 km lang sein, und damit bisher unerreichte Energien von 500-1000 GeV ermöglichen. Des Weiteren werden Linearbeschleuniger heute häufig für Medizinische Zwecke verwendet.

Van-de-Graaff-Beschleuniger

Van-de-Graaff-Beschleuniger sind spezielle Beschleuniger die im Gegensatz zu normalen Linearbeschleunigern mit Gleichspannung arbeiten. Sie arbeiten dafür mit einem Van-de-Graaff-Generator. Das Endlosband des Generators lädt dabei ein sogenanntes Hochspannungsterminal positiv auf. Mit der Ladung werden dann - wie bei Linearbeschleuniger - mehrere elektrische Felder aufgebaut, durch welche das Teilchen beschleunigt wird.

Tandem-Beschleuniger

Beim Tandem-Beschleuniger werden negativ geladene Ionen über mehrere Meter auf von einer positiv geladenen Folie angezogen. Wenn sie auf die Folie treffen haben sie genug Energie um diese zu durchdringen, beim durchdringen geben sie jedoch einen Teil der Elektronen ab. Dadurch werden sie von der Folie abgestoßen, und ein zweites mal beschleunigt.

Tandembeschleuniger werden u.A. zur  Radiokarbon-Methode verwendet.

Kreisbeschleuniger

Da der Bau von immer längeren Linearbeschleuniger sehr kostspielig wurde, kam man auf die Idee, eine Beschleunigungsstrecke mehrfach zu nutzen, indem man das Teilchen auf einer Kreisbahn wieder zurück leitet, und es so immer und immer wieder beschleunigen zu können.

Zyklotron

Im Jahre 1929 erfand der amerikanische Physiker E.O. Lawrence eine neue Art von Beschleunigern, das Zyklotron. Sie kennen vermutlich aus dem Physik-Schulunterricht den Begriff der Lorenzkraft. Diese wirkt zum einen, wenn ein elektrischer Strom senkrecht zu einem Magnetfeld fließt, zum anderen jedoch auch wenn sich eine Ladung in einem solchem bewegt. Bewegt sich also ein geladenes so wird dieses gemäß der rechten-Hand-Regel auf eine Kreisbahn gezwungen. Desto größer die Energie der Teilchen ist, desto größer ist der Radius der Kreisbahn. Die Dauer die ein Teilchen für einen Umlauf benötigt, bleibt jedoch gleich groß - solange die Geschwindigkeit relativ klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ist. Wird ein Teilchen also in einem homogenen Magnetfeld beschleunigt, so bewegt es sich also auf einer Sprialbahn nach außen.

Bei einem Zyklotron verwendet man zwei D-förmige Halbkreise, zwischen welchen man eine Wechselspannung, mit einer Amplitude von zwischen einigen Tausend bis zu über einer Million Volt, anlegt. Diese Halbkreise, welche man D's, Dees oder auch Duanden nennt, befinden sich in einem homogenen Magnetfeld, welchen durch einen Elektromagneten erzeugt werden. Das Teilchen beginnt in der Nähe der Mitte des Kreises welchen die beiden D's bilden. Immer wenn es den Spalt zwischen den beiden D's überquert, wird es durch die anliegende Spannung beschleunigt und das Magnetfeld sorgt dafür, das das Teilchen sich auf eine Spiralbahn bewegt und nicht etwa gleich den Beschleuniger verlässt. Die Wechselspannung dient dazu, damit die Ladung der D's bei beiden Beschleunigungsstrecken eine positive Beschleunigung auf das Teilchen ausübt, und es nicht wieder bremst. Da das Teilchen pro Umlauf zweimal beschleunigt wird und mit einem genügend starkem Magnetfeld die Bahn es Teilchens eng gehalten werden kann, sind damit hohe Energien erreichbar. Wird allerdings die Geschwindigkeit es Teilchen sehr hoch, so kommt die allgemein Relativitätstheorie mit ins Spiel. Dann bleibt die Umlaufdauer nicht mehr konstant, was dazu führt, dass man die Frequenz der Wechselspannung synchronisieren muss. Die nötige Anpassung der Frequenz von der Geschwindigkeit abhängt, für die Herstellung neuer Teilchen jedoch nicht die Geschwindigkeit, sondern vielmehr die Energie es Teilchens von Interesse ist, verwendet man hauptsächlich Teilchen mit hoher Ruhe Energie. Es sei noch anzumerken, dass heutige Zyklotrone nicht mehr aus nur zwei, sondern mehreren Dees bestehen.

Synchrotron

Beim Zyklotron ist das Magnetfeld konstant und der Radius der Teilchenbahn nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit zu. Der Durchmesser des Magneten muss jedoch immer so groß sein, wie der der größten Teilchenbahn am Ende der Bechleunigung. Das führt jedoch dazu, dass man immer größere Magnete benötigt, dabei stieß man jedoch bald an technische Grenzen. Deshalb ersann man sich ein neues Konzept, bei dem der Radius der Teilchenbahn konstant bleibt und dafür die Stärke des Magnetfeldes angepasst wird. Einen solchen Beschleuniger nennt man Synchrotron. Sie sind das Prinzip, nach dem heute die meisten großen Teilchenbeschleuniger gebaut werden. Der Begriff Kreisbeschleuniger wird oft als Synonym für Synchrotron verwendet, allerdings ist ein Synchrotron nur eine - wenn auch sicherlich die wichtigste - von mehreren Arten von Kreisbeschleunigern (eine zweite haben wir ja bereits kennen gelernt). In einem Synchrotron fliegen die Teilchen in einem evakuierten Ring auf einer Kreisbahn, worauf sie durch Magnete auf der Bahn gehalten werden. Um mit wachsender Geschwindigkeit der Teilchen diese weiterhin auf der exakten Kreisbahn zu halten, muss die Stärke der Magnete ständig angepasst werden. In der Kreisbahn befinden sich ein oder mehrerer Beschleunigungsbereiche, in denen die Teilchen bei jedem Durchflug - wie in einem Linearbeschleuniger - beschleunigt werden. Da der Radius der Teilchen gleich bleibt, kann man sehr viele Umläufe machen und so die Teilchen auf sehr hohe Energien bringen. Meist verwendet man einen Linearbeschleuniger als Vorbeschleuniger, er beschleunigt die Teilchen auf Energien von der Größenordnung von 1 MeV, bevor sie in den Ringbeschleuniger eingespeist werden. Längs des Ringes sind zwei Arten von Magneten angebracht: Die Fokusierungsmagneten lenken gestreute Teilchen zum Strahl zurück, so dass man einen dünnen, gebündelten Teilchenstrahl erhält. Die Krümmungsmagneten sorgen hingegen dafür, dass die Teilchen eine Kreisbahn fliegen. Haben die Teilchen die gewünschte Energie erreicht, wird ein Elektromagnet am Röhrenausgang so geschaltet, dass die Teilchen aus ihrer Kreisbahn abgelenkt und sie somit aus dem Ring ausgestoßen werden. Der Teilchenstrahl kann nun zum gewünschten Experiment geleitet werden. Bis in die 1950er Jahre konnte man keine Energien von mehr als etwa 10 GeV erreichen, da immer zu leichten Schwingungen des Teilchenstrahls kommt, was eine Destabilisierung des Strahles zur Folge hat. 1952 wurde jedoch das Prinzip der starken Fokussierung erfunden, hierbei werden Quadrupolmagneten so angeordnet, dass sie den Strahl abwechseln horizontal und vertikal fokussieren. Durch diese Vermeidung der Schwingungen, stabilisiert man den Strahl und ist in der Lage den Querschnitt des Beschleunigerrohrs stark zu verringern. Dies bringt den Vorteil, dass man die Magneten - und auch andere Bauteile - wesentlich kleiner machen kann als bei einem Synchrotron der alten Bauweise.

Sie könnten jetzt denken, man könnte beliebig große Energien erreichen, indem man die Teilchen einfach immer mehr Umrundungen machen lässt, dem ist jedoch leider nicht so. Denn wenn die Teilchen durch die Magnetfelder auf ihre Kreisbahn gelenkt werden, verlieren sie durch diese Felder wieder einiges ihrer Energie in Form von Synchrotronstrahlung. Um diesen Verlust zu minimieren, muss man die Krümmung der Teilchenbahn möglichst stark minimieren - anders ausgerückt, muss man einen immer größeren Radius für den Kreisbeschleuniger verwenden. (Die Emission von Synchrotronstrahlung ist proportional zu E⁴/M⁴R², wobei E die Energie, M die Masse des Teilchens und R der Radius des Beschleunigers ist.) Eine Vergrößerung des Bahnradius hat des Weiteren zur Folge, dass man weniger starke Magnetfelder braucht, um die Teilchen in ihrer Bahn zu halten.

Bedeutende Synchrotrone sind heute  HERA am DESY in Hamburg, der  LEP in CERN oder  Tevatron. Im Moment baut man im Europäischen Forschungszentrum CERN einen noch deutlich größeren Beschleuniger, den Large Hadron Collider (LHC). Der LHC hat einen Kreisumfang von 27 Kilometern, und wird Protonen auf 17 TeV und Bleiionen auf 1148 TeV beschleunigen. Damit wollen die Teilchenphysiker unter anderem das Higgs-Teilchen finden.

So sieht es derzeit im endlosen des LHC aus, wenn gerade nicht gearbeitet wird. Da die Tunnel so lange sind, benützen die Arbeiter Fahrräder und verschiedene Transportfahrzeuge, von welchem man hier eines sieht.

Teilchenquellen

Doch natürlich braucht man erst einmal Teilchen, um diese in einem Teilchenbeschleuniger mit hohen Energien aufeinander prallen zu lassen. Meist verwendet man dafür stabile, in der Natur vorkommende Teilchen. Beliebte Teilchen sind unter anderem:

• Protonen
• Gold- und Bleiionen
• Heliumkerne
• Elektronen

Doch auch wenn diese Teilchen auf der Erde in Maßen existieren, so treten sie meist gebunden auf. Die Protonen findet man in jedem Atomkern und die Atomkerne sind meist nur als Bestandteil kompletter Atome zu finden, welche wiederum meist in Molekülen oder Atomgittern gebunden sind. Dazu kommt noch, dass man für Experimente in Beschleunigern einen Teilchenstrahl braucht, der sehr viele der gewünschten Teilchen enthalten soll, jedoch kaum andere Teilchen enthalten darf. Man braucht also Teilchenquellen, welche einen sauberen, reinen Teilchenstrahl erzeugen.

Braunsche Röhre mit magnetischer Ablenkung, wie sie in gewöhnlichen Fernsehern oder Röhrenbildschirmen vorkommt

Elektronenquelle

Ich bin mir fast sicher, dass auch Sie eine "Teilchenquelle" für Elektronen zuhause haben - vermutlich sitzen sie genau in diesem Moment davor! Denn ein Röhrenmonitor basiert auf dem selben Prinzip, wie die in Teilchenbeschleunigern eingesetzten Elektronenquellen: der Kathodenstrahlröhre. Die Kathodenstrahlröhre besteht aus einem abgeschlossenen evakuierten Glaskolben mit einer Glühkathode. Wird an der beheizten Kathode eine hohe elektrische Spannung angelegt, so werden die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen beschleunigt und durchfliegen das Beschleunigungsfeld der Kathodenstrahlröhre. Durch ein, meist aus Magneten bestehendes, Fokussiersystem werden die Elektronen dort zu einem Strahl gebündelt, so dass sie - beim Einsatz in Teilchenbeschleunigern - dann mit elektromagnetischen Feldern in Richtung Beschleunigungsstrecke abgelenkt werden können.

Alphastrahler

Heliumkerne (He²⁺) sind ebenfalls sehr einfach zu "erzeugen". Sie entstehen natürlich beim Alphazerfall von Atomen. Um einen relativ reinen Alphastrahl zu erzeugen, legt man einen reinen Alphastrahler in eine Box mit einem kleinen Loch, durch welchen die Heliumkerne entweichen können. Um den entstehenden Strahl von Betastrahlung (Elektronen) und anderen Teilchen zu "reinigen", lenkt man ihn durch ein Magnetfeld auf eine Platte mit einem Spalt. Der Spalt ist so angebracht, dass er nur Teilchen mit einer elektrischen Ladung von +2 hindurch gelangen - Teilchen mit anderer Ladung werden entweder stärker oder schwächer abgelenkt.

Detektoren

Jetzt wissen wir, woher die Teilchenphysiker ihre Teilchen bekommen - doch wie untersuchen sie diese? Dafür haben die Teilchenphysiker einige verschiedene Techniken erfunden - die wichtigsten davon will ich im folgenden beschreiben.

Fotoemulsionen

Die älterste Methode zum Nachweiß ist die Fotographische Platte - auch Kernspurplatten genannt. (Als Fotoemulsionen bezeichnet man die lichtempfindliche Schicht auf der Platte). Dabei handelt es im Grunde um die Gleichen Lichtempfindlichen Platten welche in jeder analogen Kamera eingesetzt werden. Fliegt ein geladenes Teilchen hindurch, so kommt es durch Ionisation zu der gleichen Chemischen Reaktion, als wenn Licht auf die Platte fällt. Somit lassen sich Teilchenbahn auf der Photografischen Platte als schwarzer Strich verfolgen. Vor allem in den frühen Jahren der Teilchenphysik wurden viele wichtige Entdeckungen mithilfe dieser Methode gemacht. Die wohl bekannteste Entdeckung die damit gemacht wurde, war als Becquerel 1896 damit die Radioaktivität entdeckte. Die Methode wurde vor allem in Wien weiterentwickelt, und fand ihren Höhepunkt mit der Entwicklung der Kernemulsion, mit welcher unter anderem 1947 das Pion entdeckt wurde.

Schema einer Ionisationskammer

Ionisationskammer

Tritt ein ionisierendes Teilchen in eine mit einem Gas gefüllte Kammer ein, so werden entlang seiner Bahn die Teilchen ionisiert. Das heißt, dass einige der Elektronen einiger der Atome des Gases von der Atomkernen getrennt werden. Durch einen Kondensator wird in der Kammer nun ein Elektrisches Feld erzeugt. Dadurch werden die Elektronen zu positiven- und die - nun positiv geladenen - Atome zur negativen-Platte gezogen. Treffen Sie darauf, so fließt ein Strom der gemessen werden kann. Früher maß man die Ladung mit einem Elektroskop, heute kann man ihn elektrisch verstärken und messen. Mit der Ionisationskammer wurde unter anderem das Neutron entdeckt.

Geiger-Müller-Zähler

Ein naher Verwandter der Ionisationskammer ist das Zählrohr. Wird mit einer Spannung im sogenannten Plateau- oder Auslösebereich betrieben, nennt man es Geiger-Müller-Zähler. Der Hauptunterschied zur Ionisationskammer ist, dass das elektrische Feld stärker ist. Dadurch werden die Elektronen auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, mit der sie selbst andere Atome ionisieren können. Dadurch entsteht eine Kettenreaktion, welche die Anzahl der messbaren Ladungen erhört. Geigerzähler sind zylinderförmig aufgebaut: Ein Metallrohr dient als Kathode und ein in dessen Mitte befindender Metalldraht als Anode. Die angelegte Spannung beträgt mehrere hundert Volt. Damit die Kettenreaktion nicht zu stark wird, gibt man dem Füllgas kleine Mengen eines mehratomigen Gases - beispielsweise Alkoholdampf - hinzu. Der entstehende Stromfluss wird über einen Widerstand in ein Spannungssignal umgewandelt. Dieses wird elektronisch verstärkt und entweder als Blinken einer Lampe oder als Knacken eines Lautsprechers ausgegeben. Um die Intensität genauer abschätzen zu können, werden die Signale mit einem Zähler gezählt.

Schema eines Geiger-Zählers

Indem der Widerstand ausreichend hoch gewählt wird wird gewährleistet, dass der Stromfluss nach kurzer Zeit zusammenbricht und dann die Spannung wieder am Zählrohr anliegt. Nach dieser sogenannten Totzeit ist der Geiger-Müller-Zähler wieder für neue Teilchen empfindlich. Da Teilchen, die während der Totzeit in das Zählrohr kommen, nicht registriert werden, ist es wichtig durch geschickte Bauweise die Totzeit zu minimieren. Der Effekt der Totzeit lässt sich jedoch auch rechnerisch ausgleichen.

Funkenkammer

Bei einer Funkenkammer befinden sich viele Platten parallel in einer durchsichtigen Kammer. Der Raum zwischen den Platten ist wieder mit einem Edelgas gefüllt. Jede zweite Platte ist geerdet, die anderen sind mit einer Hochspannungsquelle (~20 kV) verbunden - diese wird immer wieder für einige Millisekunden angeschaltet, danach jedoch gleich wieder abgeschaltet. Die Spannung wird so angelegt, dass es gerade nicht zu einem Funken-Durchschlag kommt. Fliegt nun ein Teilchen durch die Platten, so kommt es wieder zu der oben schon beschriebenen Ionisation zwischen den Platten und es entstehen Funken entlang der Bahn. Die Funken wiederum regen das Gas an, wodurch sie eine - vom Gas abhängige - Farbe annehmen. Die Funken bleiben so lange sichtbar, bis man die Spannung abschaltet - dies ist der Grund, warum man die Spannungsquelle immer nur für wenige Millisekunden anschaltet. Um die Bahnkurve nicht zu verfälschen, schaltet man - bei besseren Funkenkammern - die Spannung genau dann ein, wenn das Teilchen die Kammer verlässt. Um diesen Zeitpunkt zu erfahren, verwendet man am Anfang und am Ende der Kammer einen weiteren Teilchendetektor (meist einen Geiger-Zähler oder einen Szintillationszähler). Die Funkenkammer wurde Anfang der 1960er Jahre entwickelt, sie spielt heute in der Wissenschaft keine Rolle mehr.

Nebelkammer

Aufnahme einer kontinuierlichen Nebelkammer am DESY. (kurze, dicke Streifen: α-Teilchen; dünne Streifen: β-Teilchen).

Ist ein verschlossenes Gefäß zu einem Teil mit Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) gefüllt, so herrscht ein Gleichgewicht zwischen den Wassermolekülen im Wasser und denen in der darüber liegenden Luft: durch die thermischen Bewegungen der Moleküle im Wasser entweichen immer wieder Moleküle in die Luft; dagegen wirkt die Anziehungskraft der Moleküle aufeinander. Sehr kleine Tröpfchen einer Flüssigkeit verdampfen jedoch viel leichter, da die einzelnen Wassermoleküle von weniger anderen Molekülen angezogen werden - sie verdampfen auch wenn das Gleichgewicht bereits eingestellt ist. Dadurch ist es also unter gewissen Bedingungen möglich eine Gas zu übersättigen, so dass mehr Wasser in der Luft ist, als es eigentlich möglich. Denn damit ein solches System sich normalisiert, müssten sich kleine Wassertröpfchen bilden - diese würden jedoch sofort wieder verdampfen. Damit also das Wasser kondensieren kann braucht es einen Kondensationskeim an welchem sich größere Tropfen bilden, welche nicht gleich wieder verdampfen. Eine Nebelkammer ist ein meist mit einem übersättigten Luft-Alkohol-Gemisch gefüllter Behälter. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen das Gas durchquert, ionisiert es einzelne Atome des Gases. Die so entstandenen Ionen wirken als Kondensationskeime und dadurch entstehen auf dem Weg des Teilchens durch die Nebelkammer sichtbare Kondensationen, welche Kernspuren genannt werden. Die sichtbaren Kondensationen werden mit einer geeigneten Kamera fotografiert. Dabei entstehen die so genannten Kernspuraufnahmen. Doch was sagen diese Spuren aus?

Während die Teilchen das übersättigte Gemisch durchqueren, verlieren sie Bewegungsenergie, wie viel hängt von der Masse des Teilchens ab. Man kann also aus der Reichweite der Teilchen in dem Gemisch auf ihre Anfangsgeschwindigkeit und ihre Masse schlissen. Sollten sie zu schnell sein, und nicht innerhalb der Detektors abgebremst werden, so behilft man sich einer Bleiplatte, denn Blei "bremst" die Teilchen sehr viel mehr aus. Um noch mehr über das Teilchen zu erfahren, erzeugt man im Detektor ein Magnetfeld. Durchläuft es dieses, so wird es je nach Ladung abgelenkt. Ein positives Teilchen wird ihn die eine Richtung, ein negatives Teilchen in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt - ein neutral geladenes Teilchen wird jedoch von dem Magnetfeld nicht beeinflusst. Die Stärke der Ablenkung hängt von der Masse, der Ladung und der Geschwindigkeit des Teilchens ab.

Technisch lässt sich eine Nebelkammer auf zwei verschiedene Arten bauen. Sehr einfach aufgebaut ist die Wilson'sche Nebelkammer (auch Expansionsnebelkammer), dabei handelt es sich um eine luftdicht abgeschlossene Dose mit einem Kolben, der wie eine Luftpumpe wirkt, daran. Zieht man ruckartig an dem Kolben, so verringert sich der Druck und die Temperatur kurzfristig und es können für wenige Augenblicke Teilchenspuren gesehen werden. Wesentlich beeindruckender aber auch teurer ist eine kontinuierliche Nebelkammer. In dieser wird ein Temperaturgefälle aufgebaut, indem oben in der Kammer warmer Dampf aus Verdampfer ausströmt und nach unten sinkt, wo er beispielsweise durch Trockeneis gekühlt wird. In dem Temperaturgefälle gibt es ein empfindliches Gebiet, in der nun durchgehend Teilchenspuren beobachtet werden können.

Blasenkammer

Eine wichtige Weiterentwicklung der Nebelkammer ist die Blasenkammer, in ihr wird eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel flüssiger Wasserstoff, durch plötzliche Druckabsenkung überhitzt. Durchquert ein elektrisch geladenes Teilchen die Kammer, so ionisiert es Atome darin. Die Ionen wirken als Kondensationskeime, so dass sich entlang der Teilchenbahn Dampfbläschen bilden, welche man mit geeigneter Beleuchtung fotografieren kann. Durch die höhere Dichte der Flüssigkeit - im Vergleich zu dem Gas in der Nebelkammer - kommt es zu sehr viel mehr Reaktionen als in einer Nebelkammer. Auch sind dadurch die Teilchenspuren kürzer, wodurch sich oft auch die Folgereaktionen beobachten lassen.

Der amerikanische Physiker Donald A. Glaser erhielt 1960 den Physik-Nobelpreis für die Erfindung der Blasenkammer. Von den 1960ern bis in die 1980ern spielte die Blasenkammer eine bedeutende Rolle in der Teilchenphysik. Heute spielen sie an den modernden Teilchenbeschleunigern keine Rolle mehr, sie werden jedoch noch verwendet, um nach Teilchen der Dunklen Materie zu suchen.

Szintillationszähler

Alle bisher genannten Detektoren sind nur zum Auffinden von Teilchen im klassischen Sinn, also nur Teilchen, die eine Masse ungleich null haben. Wie jedoch weist man Eichbosonen nach? Wir wollen uns also der Frage stellen: Wie misst man elektromagnetische Strahlung im Gammabereich?

Im Bereich des sichtbaren Lichts ist die Messung sehr einfach, schließlich macht das menschliche Auge nichts anderes, die analoge Fotografie existiert seit dem 19. Jahrhundert und 1970 konstruierte Bell den ersten CCD-Sensor, wie man ihn heute noch in Digitalkammeras verwendet. Es währe also einfach, γ-Strahlung zu messen, wenn man diese in sichtbares Licht umwandeln könnte. Dies geht zwar nicht direkt, jedoch behilft man sich mit einem sogenannten Szintillator. Gerät ein geeignetes Teilchen, wie beispielsweise ein γ-Quant, in den Szintillator, regt es diesen an und es entsteht ein Lichtblitz, bei dem mehrere Photonen mit niedriger Energie entstehen. Doch diese Lichtblitze sind meist sehr schwach - teilweise handelt es sich nur um wenige einzelne Photonen. Da ein gewöhnliches Display oder Fotodioden meist bei weitem nicht so empfindlich ist, benützt man einen sogenannten Photomultiplier.

Ein Photomultiplier mit acht Dynoden

Die Photonen treffen auf eine Photokathode und schlagen dabei durch den Photoeffekt Elektronen aus deren Oberfläche. Diese Elektroden werden beschleunigt und auf eine Elektroden - Dynoden genannt - geleitet. Dort schlagen sie weitere Elektronen - Sekundärelektronen genannt - aus der Elektrodenoberfläche heraus. Der Elektronenstrahl wird erneut beschleunigt und trift, dann wieder auf eine Dynode - dies wiederholt sich etliche Male, wobei sich die Anzahl der Elektronen bei jeder der Dyonen vermehrfacht. Damit dies funktioniert, muss die an den Dynoden anliegende Spannung von Dynode zu Dynode immer größer werden. Meist wird das realisiert, indem die ursprüngliche Hochspannung über eine Spannungsteilerkette heruntergeteilt wird. Zum Schluss treffen die Elektronen auf eine Anode, wo sie als Stromfluss gemessen werden können. Da die Anzahl der Elektronen in solchen Photomultiplier oft vermillionenfacht werden, lassen sich damit sogar einzelne Photonen messen. So kann ein Photomultiplier mit zehn Dynoden je nach Spannung dei Photonenanzahl um einen Faktor von 10⁶ bis 10¹⁰ vervielfachen.

Nun wissen wir, wie ein Szintillationszähler Gammastrahlung misst. Je nach Szintillator eignet sich ein Szintillationszähler zur Messung von Alpha-, Beta-, Gamma- oder Neutronenstrahlung. Die zeitliche Auflösung eines Szintillationszähler beträgt zwischen 10^-6 und 10^-8 Sekunden.

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