Plasma verleiht Elektronen “Turboantrieb”

Innerhalb von nur zwei Zentimetern von 100 auf 200 Stundenkilometer beschleunigen – das klingt erstmal unmöglich, doch das Äquivalent davon ist jetzt Teilchenphysikern gelungen. Mit Elektronen als „Rennwagen“ und einem Plasma aus ionisiertem Gas als Turboantrieb. Wie die Forscher jetzt in “Nature“ berichten, verdoppelten sie so die Energie der knapp mit Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen. Die neue Technik könnte den Weg zu neuen Erkenntnissen in der Hochenergie-Teilchenphysik ebnen.

Eine ganze Reihe von noch immer ungeklärten Fragen der Physik wie beispielsweise die Natur der Dunklen Energie oder die Zusammensetzung der Materie, lassen sich mit heutiger Technologie noch nicht beantworten. Die Teilchenbeschleuniger schaffen es noch nicht, Teilchenstrahlen zu erzeugen, die energiereich genug sind, um auch die extrem kurzlebigen Phänomene und Teilchen zu detektieren.

Armeslänge statt Kilometerring

Ein Wissenschaftlerteam unter Leitung von Physikern des Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) hat jetzt eine neue Methode entwickelt und erprobt, bei der ein ionisiertes Gas eingesetzt wird, um die Elektronen auf sehr kurzer Strecke extrem zu beschleunigen. „Die Größenordnungen sind bemerkenswert“, erklärt Mark Hogan, Co-Autor der Studie. „Man braucht ein Flugzeug um den gut drei Kilometer großen Beschleuniger ganz zu fotografieren. Aber in der kleinen Strecke kürzer als die Spanne ihrer Arme haben wir jetzt die Energie von Elektronen auf den höchsten hier jemals erreichten Wert verdoppelt.“

Im Versuchsaufbau wurden die Elektronen zunächst für drei Kilometer durch den Linearbeschleuniger des SLAC geschickt, 42 Milliarden Elektronenvolt an Energie gewannen sie dadurch. Dann passierten sie eine 84 Zentimeter lange Kammer gefüllt mit ionisiertem Lithiumgas. Und genau dieses verschaffte den Teilchen noch einmal eine Art „Turbo“: Sie gewannen noch einmal 42 Milliarden Elektronenvolt hinzu und verdoppelten so ihren Energiegehalt auf kürzester Strecke. Ursache dieses Effekts ist ein Plasma, das sich vor den durch das Gas schießenden Elektronen bildet. Es fließt an den Elektronen vorbei und erzeugt hinter ihnen ein Art Schubkraft, die sie noch einmal beschleunigt.

Höchster jemals erreichter Beschleunigungsgradient

Das Experiment schaffte es auf diese Weise, den größten Beschleunigungsgradienten zu erzielen, der jemals erreicht wurde. Dieser Gradient gibt an, wie schnell Teilchen Energie aufnehmen. In diesem Fall gewannen die Elektronen in der Plasmakammer mehr als 3.000-mal mehr Energie pro Meter als sonst in Beschleunigern üblich. “Physiker nutzen Teilchenbeschleuniger um einige der grundlegenden Fragen über die Natur des Universums zu klären”, erklärt Chan Joshi, Professor an der Universität von Kalifornien in Los Angeles und Kooperationspartner in diesem Projekt. „Ich hoffe, dass die Plasma-Beschleunigung es uns ermöglichen wird, die reiche Tradition der Entdeckungen auf diesem Gebiet noch besser fortzuführen.“

Noch gibt es allerdings eine Hürde, die die Physiker überwinden müssen: Einige der Elektronen im Strahl scheinen in der Plasmenkammer Energie zu verlieren statt sie aufzunehmen. „Offenbar nehmen wir die Energie aus einem Teil und geben ihn an den anderen Teil weiter“, so Hogan. Die Forscher wollen jetzt das Experiment so modifizieren, dass sie zwei getrennte Elektronenstrahlen durch die Kammer schicken: einen vorausfliegenden „Energielieferanten“, der den folgenden Strahl anreichert. Erst dieser zweite Strahl würde dann für die Erzeugung der energiereichen Kollisionen in den Detektoren eingesetzt.

“Wir hoffen, dass diese Durchbrüche eines Tages zukünftige Generationen von Teilchenbeschleunigern erschwinglicher und realisierbarer machen“, erklärt Persis Drell, Stellvertretender Leiter des SLAC. „Es ist wunderbar den großen Fortschritt zu sehen, den die Erforschung fundamental neuer Methoden für die Teilchenbeschleunigung bereits gebracht hat.“

(Stanford University, 15.02.2007 – NPO)