Wie sind Wissenschaftler in der Lage Photonen, Elektronen und andere Teilchen im CERN zu beschleunigen? Wie kannst Du das physikalisch nachweisen?
Photonen werden am CERN nicht beschleunigt, sondern momentan in LHC Protonen und Antiprotonen (bei einigen Experimenten auch Goldkerne) und früher im LEP Elektronen und Positronen ( = Antielektronen). Um Teilchen jedweder Art zu beschleinigen macht man sich zunutze, dass elektrisch geladene Teilchen durch elektrische Felder beschleunigt werden. Und zwar positiv geladene Teilchen (Protonen und Positronen) weg von Pol, der elektrisch positiv geladen ist hin zum elektrisch negativ geladenen und bei Antiprotonen und Elektronen in umgekehrter Richtung. Was man natürlich vor der Beschleunigung erreichen muss, ist dass elektrisch neutrale Atome "aufgeladen" werden. Das passiert, indem man (ähnlich wie in einer Neonröhre) Gase mit Elektronen bombadiert, die dann wiederum Elektronen aus der Hülle der Atome herausschlagen; dadurch wird das Atom zum positiv geladenen Ion, im Fall des Wasserstoffs zum nackten Proton.
Das gleiche Prinzip der Beschleunigung geladener Teilchen bewirkt auch die Entstehung von Blitzen bei Gewittern: durch starke vertikale Winde kollidieren die Wassertröpfchen in einer Wolke miteinander. Durch diese Kollisionen werden Elektronen aus den Elektronenhüllen der Wassermoleküle herausgeschlagen un somit positiv geladen. Wird dieser Prozess häufig genug in einer Wolke wiederholt, läd sich diese oben positiv auf und an ihrem unteren Rand negativ, gleichzeitig ist die Erde neutral, also hat die Unterseite der Wolke gegenüber der Erde ein negatives elektrisches Potential von mehreren Hunderttausend bis Millionen Volt. Wenn nun ein elektrisch geladenes Teilchen (z.B. die Elektronen, die es im Überschuss unten in der Wolke gibt) durch das elektrische Feld beschleunigt werden, dann kann es zu einer lawinenartigen Elektronenkaskade kommen, die sich zur Erdoberfläche bewegt und auf ihrem Weg die Moleküle der Lift ionisiert. Das ist das, was wir als Blitz wahrnehmen.
Nachweisen kann man die beschleunigten Teilchenstrahlen durch spezielle Messinstrumente. Z.B. verwendet man spezielle, plattenförmige Elektroden, die entlang des Strahlwegs installiert sind, um die vorbeifliegenden Teilchen mittels Influenz-/Spiegelladungen zu detektieren. Misst man nun die Teilchen entlang ihres Wegs an verschiedenen Stellen, so lässt sich über den zurückgelegten Weg und die Zeit zwischen zwei Detektoren die Geschwindigkeit der Teilchen berechnen.