Ein Teilchenbeschleuniger ist ein physikalisches Gerät, das elektrische Felder verwendet, um geladene Teilchen auf immense Geschwindigkeiten zu beschleunigen, manchmal erhebliche Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit. Zu den üblichen Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern zu finden sind, gehören Protonen und Elektronen, die Bausteine des Atoms.
Ein Teilchenbeschleuniger wird verwendet, um das Verhalten kleiner Teilchen bei hohen Geschwindigkeiten und Energien zu beobachten, aber auch für alltäglichere Zwecke wie die Erzeugung einer bestimmten Art elektromagnetischer Strahlung. Teilchenbeschleuniger werden oft verwendet, um Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten gegeneinander zu schleudern und ihre grundlegenderen Komponenten zu enthüllen. Der Röntgengenerator und das Fernsehgerät sind beide gängige Beispiele für Teilchenbeschleuniger, mit dem gleichen grundlegenden Design wie ihre größeren Verwandten, die in Experimenten der Hochenergiephysik verwendet werden. Ein Teilchenbeschleuniger fällt in eine von zwei Kategorien: kreisförmig oder linear.
In einem kreisförmigen Teilchenbeschleuniger werden Teilchen auf einer kontinuierlichen Kreisbahn beschleunigt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Partikel viele Male im Kreis gelenkt werden kann, was Hardware spart. Der Nachteil ist, dass Teilchen in Kreisbeschleunigern elektromagnetische Strahlung aussenden, die Synchrotronstrahlung genannt wird. Da ihr Impuls sie ständig dazu anregt, auf einer zum Kreis tangentialen Flugbahn auszufliegen, muss ständig Energie aufgewendet werden, um sie auf der Kreisbahn zu halten, wodurch kreisförmige Teilchenbeschleuniger weniger effizient sind. In großen Beschleunigern ist die Synchrotronstrahlung so intensiv, dass der gesamte Beschleuniger unter der Erde vergraben werden muss, um die Sicherheitsstandards einzuhalten. Der Teilchenbeschleuniger Fermilab in Illinois hat eine Kreisbahn von 4 km.
Linearbeschleuniger feuern Partikel in einer geraden Linie auf ein festes Ziel ab. Die Kathodenstrahlröhre in Ihrem Fernseher ist ein niederenergetischer Teilchenbeschleuniger, der Photonen im sichtbaren Lichtbereich auf eine Glasplatte, den Bildschirm, feuert. Der Photonenstrom wird ständig umgeleitet, um den Bildschirm mit Pixeln zu füllen. Diese Umlenkung erfolgt schnell genug, dass wir den alternierenden Photonenstrom als kontinuierliches Bild wahrnehmen.
Hochenergetische Linearbeschleuniger oder Linacs werden in physikalischen Anwendungen verwendet. Eine Reihe von Platten zieht abwechselnd die geladenen Teilchen an und stößt sie ab, indem sie Teilchen nach vorne ziehen, wenn sie es noch nicht passiert haben, und sie dann wegstoßen, wenn sie es passiert haben. Auf diese Weise können elektrische Wechselfelder verwendet werden, um Teilchenströme auf sehr hohe Geschwindigkeiten und Energien zu beschleunigen. Physiker nutzen diese Beschleuniger, um exotische Bedingungen zu simulieren, etwa im Zentrum von Sternen oder am Anfang des Universums. Der vom Standardmodell der Teilchenphysik beschriebene „Teilchenzoo“ wurde schrittweise in Teilchenbeschleunigerexperimenten aufgedeckt. Der größte lineare Teilchenbeschleuniger ist der Stanford Linear Accelerator mit einer Länge von 2 km.