Versuch von Teilchenphysikern Rekord bei Elektronen-Beschleunigung im Miniformat

Experimente mit Elementarteilchen bringen die Grundlagenforschung voran, sind aber teuer. Nun haben Experten einen Weg gefunden, Elektronen in einem 20-Zentimeter-Beschleuniger auf sehr hohe Energien zu bringen.

20 Zentimeter lange Beschleunigungskanäle
Marilyn Chung / Berkeley Lab

20 Zentimeter lange Beschleunigungskanäle


Große Teilchenbeschleuniger oder Röntgenlaser brauchen viel Platz und sind sehr teuer. Forscher arbeiten deshalb an Geräten, die Teilchen auf kurzer Strecke auf große Geschwindigkeit und damit hohe Energie bringen können. Nun sind sie einen wichtigen Schritt weitergekommen.

In einer gerade einmal 20 Zentimeter langen Röhre haben Wissenschaftler vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien Elektronen auf eine Energie von 7,8 Giga-Elektronenvolt (7,8 Milliarden Elektronenvolt) beschleunigt. Eine so hohe Energie wurde auf einer so kurzen Strecke zuvor noch nie erreicht. Bislang mussten Teilchen dafür mehrere hundert Meter weit fliegen.

Zur Einordnung: Der Europäische Röntgenlaser XFEL beschleunigt Elektronen in einer 1,7 Kilometer langen Röhre auf bis zu 17,5 Giga-Elektronenvolt. Sie fliegen dort also mehr als 8000 Mal weiter als im aktuellen Experiment und kommen dabei ungefähr auf die doppelte Energie. (Mehr zur Funktionsweise des XFEL lesen Sie hier.)

Laser als Teilchenbeschleuniger

Um Elektronen auf nur 20 Zentimetern extrem zu beschleunigen, nutzten die Forscher um Wim Leemans, der inzwischen Direktor am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg ist, eine gänzlich andere Technik als in herkömmlichen Teilchenbeschleunigern. Statt mit elektromagnetischen Feldern brachten sie die Elektronen mit verschiedenen Lasern auf hohe Geschwindigkeiten, wie sie im Fachmagazin "Physical Review Letters" berichten.

Die Wissenschaftler erzeugten dazu zunächst ein Plasma in einer feinen Röhre voll Wasserstoffgas. Auf die positiv geladenen Wasserstoffkerne und frei fliegenden Elektronen im Plasma schossen sie anschließend einen extrem starken, kurzen Laserpuls mit einer Leistung von bis zu 850 Billionen Watt. So entstand eine Welle im Plasma, auf der die Elektronen beschleunigt wurden.

Dichte des Plasmakanals in der Röhre
Gennadiy Bagdasarov / Keldysh Institute of Applied Mathematics; Anthony Gonsalves and Jean-Luc Vay / Berkeley Lab

Dichte des Plasmakanals in der Röhre

Eine Herausforderung war es, diese Welle über 20 Zentimeter aufrecht zu erhalten. Dazu bohrten die Forscher, kurz bevor sie die Plasmawelle herstellten, mit einem weiteren Laser ein Loch ins Plasma. Der Laser heizte das Plasma auf und sorgte so dafür, dass es in der Mitte der Röhre eine geringere Dichte hatte als am Rand. In dem weniger dichten Plasmakanal konnte sich der zweite Laserpuls dann in voller Länge ausbreiten.

Zuvor blieb die Plasmawelle nur über neun Zentimeter stabil

Den Plasmakanal herzustellen, hatte den Forschern zuvor Probleme bereitet. In einem früheren Versuch gelang es ihnen nur über eine Länge von neun Zentimetern. Dabei erreichten die Elektronen eine Energie von nur 4,25 Giga-Elektronenvolt. Ziel ist es nun, die Plasmawelle noch länger als 20 Zentimeter aufrecht zu erhalten und damit die Marke von 10 Giga-Elektronenvolt zu knacken.

"Es ist an der Zeit, die Laser-Plasmabeschleunigung aus dem Labor zur Anwendung zu führen", sagt Leemans. Zwar können Plasmabeschleuniger nicht so viele Teilchen gleichzeitig beschleunigen wie klassische Teilchenbeschleuniger. Mit ihnen ließen sich aber Röntgenlaser im Miniaturformat entwickeln. Mit Röntgenlasern können Forscher beispielsweise Moleküle, Zellen, Viren und chemische Reaktionen in 3D aufnehmen und untersuchen.

jme

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