Teilchenbeschleuniger 4.0

Elektronen surfen auf der Plasmawelle

Von Manfred Lindinger
09.09.2018
, 09:00
Das Prinzip des Plasmabeschleunigers „Awake“ am Forschungszentrum Cern: Die Protonen, dargestellt als grüne ovale Strukturen, treiben Elektronen (kleine Kugeln) an.
Der Teilchenbeschleuniger der Zukunft nutzt ein völlig neues Prinzip: Ein heißes Plasma beschleunigt Elektronen bereits auf einer viel kürzeren Strecke auf hohe Energien. Droht den großen Teilchenkanonen wie dem LHC bald Konkurrenz?
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Kilometerlange Beschleunigeranlagen für allerkleinste Elementarteilchen sind das Markenzeichen der Teilchenphysik – und gleichzeitig ihr Dilemma. Denn je tiefer die Forscher in die Struktur der Materie blicken wollen, um ihr weitere Details zu entlocken, desto größere und leistungsfähigere Beschleunigeranlagen benötigen sie. Mit einem Umfang von 27 Kilometern ist der Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Forschungszentrum für Elementarteilchenforschung in Genf der derzeit größte und mit Abstand teuerste Teilchenbeschleuniger der Welt. Der LHC soll nach einer Rundumerneuerung bis zum Jahr 2035 in Betrieb sein (siehe Artikel „Entdeckung nach Plan“).

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In den Schubladen des Cern liegen aber schon die Pläne für einen Nachfolger. Dieser könnte dann sogar einen Umfang von mindestens achtzig Kilometern haben und die siebenfache Kollisionsenergie liefern. Ob er jemals gebaut wird, ist allerdings fraglich. Denn die Kosten dürften den Wünschen der Teilchenphysiker eine Grenze setzen. Deshalb sucht man auch am Cern schon länger nach Wegen, wie man auch mit geringerem technischen Aufwand geladene Teilchen wie Elektronen auf recht hohe Energien bringen kann. Und es gibt Grund zur Hoffnung, dass dies in absehbarer Zeit auch tatsächlich gelingen könnte, und zwar mit einem völlig anderen Beschleunigungskonzept: dem Plasmabeschleuniger.

Mehr Energie auf kürzerer Strecke

Dieser vielversprechende Ansatz, der auf theoretischen Überlegungen aus den siebziger Jahren beruht, basiert auf oszillierenden Plasmawellen, auf denen die zu beschleunigenden Elektronen wie Surfer reiten und beschleunigt werden. Dabei nehmen sie fortlaufend Energie auf, bis sie ihr Soll erreicht haben und ausgekoppelt werden. Das Plasma wird gewöhnlich von einem intensiven Laserstrahl erzeugt, den man auf Gasatome richtet. Es übernimmt dabei die Aufgabe der Beschleunigermodule in den großen Teilchenbeschleunigern.

Awake-Plasmabeschleuniger: Im Tunnel eines ehemaligen Neutrino-Experiments haben Forscher des Cern eine zehn Meter lange Plasmazelle aufgebaut, in der sie Elektronen auf einer Plasmawelle surfen lassen. Dieses Konzept ermöglicht es, Teilchen auf einer deutlich kürzeren Strecke auf eine hohe Energie zu bringen als in herkömmlichen Beschleunigern.
Awake-Plasmabeschleuniger: Im Tunnel eines ehemaligen Neutrino-Experiments haben Forscher des Cern eine zehn Meter lange Plasmazelle aufgebaut, in der sie Elektronen auf einer Plasmawelle surfen lassen. Dieses Konzept ermöglicht es, Teilchen auf einer deutlich kürzeren Strecke auf eine hohe Energie zu bringen als in herkömmlichen Beschleunigern. Bild: Maximilien Brice/CERN

Während herkömmliche Hohlraumresonatoren im Radiowellenbereich Feldstärken zwischen 30 und 100 Millionen Volt (MeV) pro Meter erreichen, könnten mit Plasmen theoretisch vielfach stärkere elektrische Felder erzeugt werden. Die Teilchen lassen sich dadurch – so die Idee – bereits auf kürzeren Strecken auf höhere Energien beschleunigen. Zahlreiche Forschergruppen haben bereits zeigen können, dass sich Elektronen mit einem Plasma tatsächlich über kurze Distanzen auf hohe Energien bringen lassen. Allerdings haben nur wenige Apparaturen das Potential für echte Anwendungen in der Teilchenphysik. Das könnte sich mit dem Plasmabeschleuniger „Awake“ am Forschungszentrum Cern ändern.

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Heißes Plasma in der Röhre

Die internationale Forschergruppe um Allen Caldwell vom Max-Planck-Institut für Physik in München hat in ihren Experimenten bereits Feldstärken von rund 200 Millionen Volt pro Meter erreicht. Ihr Ziel ist eine fünfmal so hohe Feldstärke. Damit könnte ein Plasmabeschleuniger mit den großen existierenden Beschleunigeranlagen konkurrieren. Noch steht die Forschergruppe aber erst am Anfang.

Die Wissenschaftler arbeiten mit einem 200 Grad heißen Plasma aus positiv geladenen Rubidiumionen und Elektronen, das in einer zehn Meter langen Röhre eingeschlossen ist. In diese Zelle werden Bündel von Protonen eingespeist, die der Teilchenbeschleuniger SPS liefert. Auf ihrem Weg durch das Plasma ziehen die schweren Wasserstoffkerne die leichten Elektronen mit und erzeugen auf diese Weise eine sich ausbreitende Kielwelle.

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2 GeV auf 10 Meter

Wenige Augenblicke später wird ein Elektronenstrahl in die Röhre geschossen. Die geladenen Teilchen werden von den Kielwellen im Plasma erfasst und mitgerissen. Dass aus den austretenden Elektronen ein möglichst homogener schmaler Teilchenstrahl wird, sorgt ein elektromagnetisches Linsensystem hinter der Plasmazelle.

Die ersten Testmessungen, die im Mai dieses Jahres gelaufen sind, waren erfolgversprechend. Wie die Forschergruppe jetzt in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ berichtet, haben sie Elektronen auf Energien von bis zu zwei Milliarden Elektronenvolt (GeV) beschleunigen können. Zwischen Anfangs- und Endenergie lag ein Faktor hundert. Herkömmliche Linear-Beschleuniger benötigen dafür eine weitaus längere Strecke.

Das Ziel der Forscher ist es nun, die Leistungsfähigkeit ihres Plasmabeschleunigers zu erhöhen und die Länge der Plasmazelle zu verringern. Schon in wenigen Jahren will man die Elektronen aus dem Plasmabeschleuniger tatsächlich für wissenschaftliche Untersuchungen nutzen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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