Mini-Beschleuniger bricht Weltrekord

Laser statt Magnete: Mit einem nur tischgroßen Laser-Teilchenbeschleuniger haben US-Forscher erstmals Elektronen bis auf 4,25 Gigtaeletronenvolt beschleunigt – ein Weltrekord. Dies gelang durch ultrakurze Laserpulse, die in ein nur wenige Zentimeter langes Plasmaröhrchen geschossen wurden. Das Experiment belegt, dass Laser-Plasma-Beschleuniger künftig durchaus eine Alternative zu den kilometerlangen konventionellen Teilchenbeschleunigern sein können, betonen die Forscher im Fachmagazin „Physical Review Letters“.

Teilchenbeschleuniger sind normalerweise vor allem eines: riesig. Um Protonen und andere Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu bringen, werden leistungsfähige Elektromagneten in kilometergroßen Beschleunigerringen eingesetzt. Diese Technik wird unter anderem beim weltgrößten Beschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, und für die Erzeugung der Synchrotronstrahlung bei Freie Elektronenlasern) eingesetzt.

Diese Teilchenbeschleuniger haben aber ihre Grenzen: Mehr als 100 Megaelektronenvolt (MeV) pro Meter Strecke können sie nicht erreichen, bevor das Material nachgibt. Deshalb müssen sie umso länger sein, je leistungsfähiger sie sein sollen. Doch es geht auch anders: mit Laserstrahlen.

Laserpulse erzeugen Sog im Plasma

Sogenannte Laser-Plasma-Beschleuniger nutzen keine Magnete, sondern kurze, extrem energiereiche Laserpulse, die in einen engen Kanal mit Plasma geschossen werden. Die Pulse lösen Elektronen aus dem Plasma und erzeugen gleichzeitig ein sogartiges elektrisches Feld, das die Teilchen hinter sich herzieht und dabei beschleunigt.

Diese Simulation zeigt das Sogfeld des Laserpulses im neun Zentimeter langen Plasmakanal © Berkeley Lab

Der große Vorteil dabei: Diese Laser-Plasma-Beschleuniger benötigen dafür nur wenige Zentimeter Rohrlänge. Der gesamte Aufbau hat daher auf einem Tisch Platz. Zudem gilt die Beschränkung auf 100 MeV pro Meter für diese Technik nicht. Wie leistungsfähig diese Mini-Beschleuniger inzwischen sind, haben nun Wim Leemans vom Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Kollegen bewiesen.

Weltrekord im Plasmaröhrchen

Für ihr Experiment schickten die Forscher ultrakurze, nur 40 Femtosekunden lange Laserpulse von 300 Terawatt Leistung durch ein extrem dünnes, rund neun Zentimeter langes Röhrchen mit Plasma. Wie sich zeigte, wurden die dadurch mitgerissenen Elektronen auf Energien von 4,25 Gigaelektronenvolt beschleunigt – mehr als jemals zuvor mit einem Laser-Plasma-Beschleuniger erreicht. Diese Beschleunigung entspricht bereits der, die in Synchrotron-Anlagen wie dem Beschleunigerring DESY in Hamburg erreicht wird.

Aufgrund der nur wenigen Zentimeter langen Strecke liegt der Gradient der Beschleunigung – die Strecke, die die Teilchen von Null auf extrem schnell brauchen – damit um das Tausendfache über dem herkömmlicher großer Teilchenbeschleuniger. „Dieses Experiment demonstriert, dass Laserpulse mit ein paar hundert Terawatt Elektronenstrahlen von mehrerer Gigaelektronenvolt erzeugen können“, so die Forscher.

Beschleuniger für alle

„Die Ergebnisse von Leemanns und seinen Kollegen ist ein substanzieller Fortschritt“, kommentiert der Physiker Georg Korn vom europäischen Projekt Extreme Light Infrastructure (ELI). Denn damit erreichen die nur tischgroßen Laser-Beschleuniger Leistungen, die der konventionellen Technik Konkurrenz machen. Schaltet man mehrere solcher Lasereinheiten hintereinander, könnten sie Teilchen bis ins den Teraelektronenvolt-Bereich beschleunigen – und damit so stark wie der LHC und andere Riesen-Beschleuniger.

„Der hier demonstrierte Elektronenstrahl könnte beispielsweise genutzt werden, um einen Freie Elektronenlaser im Röntgenbereich (XFEL) zu betreiben“, erklärt Korn. Nur dass dieser laserbetriebene Aufbau dann nur rund 30 Meter lange wäre, statt der sonst benötigen kilometerlangen Röhren. Zudem ermöglichen die kleinen Beschleuniger eine Fülle neuer Experimente, die sonst für viele Universitäten und Forschungseinrichtungen unerschwinglich wären. (Physical Review Letters, 2014; doi: 10.1103/PhysRevLett.113.245002)

(DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory, 10.12.2014 – NPO)