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2025-04-28T10:08:54Z

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Ein '''Colliding-Beam-Experiment''' ([[Englische Sprache|engl.]] ''{{lang|en|collide}}'' ‚zusammenstoßen‘ und ''{{lang|en|beam}}'' ‚Strahl‘) ist ein Experiment der [[Teilchenphysik]], bei dem zwei gegenläufige Strahlen beschleunigter Teilchen aufeinandertreffen und die [[Stoß (Physik)|Stoß]]<nowiki/>vorgänge zwischen den Teilchen beobachtet werden.

Es unterscheidet sich damit vom ''Targetexperiment'', bei dem ein Strahl beschleunigter Teilchen auf ''ruhende'' Materie trifft, nämlich auf das [[Target (Physik)|Target]]. In Colliding-Beam-Experimenten können Teilchenreaktionen mit wesentlich höheren [[Energie]]<nowiki/>umsätzen als in Targetexperimenten ausgelöst werden.

== Vergleich mit einem Targetexperiment ==
=== Vorteil ===
Vor jedem Stoßvorgang zweier Teilchen liegt ihr gemeinsamer [[Massenmittelpunkt|Schwerpunkt]] stets auf der Verbindungsgeraden der Teilchen, und sein Ort auf der Geraden ist durch das Verhältnis der beiden [[Masse (Physik)|Massen]] bestimmt.

Bei einem Targetexperiment bewegt sich der Schwerpunkt demnach bis zum Stoß auf das Targetteilchen zu. Dieser Mitbewegung des Schwerpunkts entspricht ein [[Impuls (Physik)|Impuls]]. Da der Impuls eine [[Erhaltungsgröße]] ist, treten als Ergebnis des Stoßes immer nur solche Vorgänge auf, bei denen der Schwerpunkt diesen Impuls nach Richtung und Betrag beibehält. Er behält damit auch eine entsprechende [[kinetische Energie]] bei, und nur die übrig bleibende Energie, die [[Schwerpunktsenergie]], steht zur Umwandlung in andere Formen zur Verfügung, etwa in Masse neu gebildeter Teilchen (siehe auch [[Kinematik (Teilchenprozesse)]]).

Im Colliding-Beam-Experiment lässt sich die Mitbewegung des Schwerpunkts verringern oder fast ganz vermeiden, indem man für annähernd entgegengesetzt gleiche Impulsvektoren der beiden Teilchen sorgt. Das [[Schwerpunktsystem]] fällt dann mit dem [[Laborsystem]] (fast) zusammen, und die Schwerpunktsenergie ist (fast) gleich der Summe beider Teilchen-[[Gesamtenergie]]n.

=== Nachteil ===
Die [[Teilchendichte]] in einem Beschleunigerstrahl ist um Größenordnungen geringer als diejenige eines Targets, selbst eines gasförmigen Targets. Entsprechend kleiner ist die Ausbeute an Stoßvorgängen. Colliding-Beam-Experimente erfordern daher Strahlen hoher Intensität (Stromstärke). Allerdings haben die Teilchen, sofern sie auf ringförmigen Bahnen umlaufen, nicht nur je eine, sondern viele sich wiederholende „Gelegenheiten“ zum Zusammenstoß.

== Durchführung ==
Colliding-Beam-Experimente werden an [[Collider]]-Anlagen wie z. B. dem [[Large Hadron Collider|LHC]] durchgeführt. Meist handelt es sich um Teilchen-[[Antiteilchen]]-Stöße ([[Elektron]]-[[Positron]] oder [[Proton]]-[[Antiproton]]), es stoßen also Teilchen gleicher Masse zusammen. Ein Beispiel für ein solches Experiment ist das [[D0-Experiment]] am [[Tevatron]].

Colliding-Beam-Experimente mit Stoßpartnern verschiedener Masse, nämlich Proton und Elektron, wurden an der Anlage [[Deutsches Elektronen-Synchrotron#HERA|HERA]] durchgeführt. Mit Protonen von 920 [[GeV]] und Elektronen von 27,5 GeV wurde eine Schwerpunktsenergie von etwa 300 GeV erreicht.

Die meisten bisherigen Collider (beispielsweise [[Large Electron-Positron Collider|LEP]], [[Tevatron]], [[Relativistic Heavy Ion Collider|RHIC]], LHC und der im Bau befindliche [[Facility for Antiproton and Ion Research|FAIR]]) arbeiten als [[Synchrotron]]s und [[Speicherring]]e. Bei leichten Teilchen wie Elektronen und Positronen in Ringbeschleunigern begrenzt aber die [[Synchrotronstrahlung]] die erreichbare Energie. Collider-Anlagen für diese Teilchen, wie [[SLAC]] und der geplante [[International Linear Collider|ILC]], sind deshalb oft [[Linearbeschleuniger]], obwohl so nur ein sehr geringer Bruchteil der beschleunigten Teilchen zur Kollision gebracht werden kann.

== Literatur ==
*{{Literatur|Autor=Povh/Rith/Scholz/Zetsche|Titel=Teilchen und Kerne|Verlag=Springer|Ort=Berlin/Heidelberg|ISBN=978-3-540-68075-8|Auflage=8.|Jahr=2009}}
*D. A. Edwards, M. J. Syphers, ''An Introduction to the Physics of High-Energy Accelerators'', Wiley, 1993, ISBN 0-471-55163-5.
*Frank Hinterberger, ''Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik'', Springer, 2008, ISBN 978-3540752813.

[[Kategorie:Beschleunigerphysik]]

Colliding-Beam-Experiment - Versionsgeschichte

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