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Forscher bringen Elektronen mit Plasmawellen auf Trab

Wellenreitende Elektronen im Teilchenbeschleuniger

| Autor/ Redakteur: Barbara Wankerl * / Christian Lüttmann

Physiker am Cern haben ein Privileg: Indem sie Teilchen im weltgrößten Teilchenbeschleuniger aufeinanderprallen lassen, eröffnet sich ihnen der Mikrokosmos der Materie. Um immer tiefer in die subatomare Welt vorzudringen, sind jedoch immer höhere Energien nötig – die bisherige Technologie droht, an ihre Grenzen zu stoßen. Mit einer neuen Methode haben Forscher unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Physik nun einen Weg vorgestellt, der preisgünstigere und leistungsstärkere Teilchenbeschleunigung ermöglichen könnte.

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Surfen im Teilchenbeschleuniger: Im Awake-Experiment bilden Protonen (gelbe Kegel) eine Plasmawelle (blaue Scheiben), die Elektronen (kleine Kugeln) auf hohe Energien beschleunigen.
Surfen im Teilchenbeschleuniger: Im Awake-Experiment bilden Protonen (gelbe Kegel) eine Plasmawelle (blaue Scheiben), die Elektronen (kleine Kugeln) auf hohe Energien beschleunigen.
(Bild: Jorge Vieira/IST Lisbon, Portugal)

München – Im Schweizer Forschungszentrum Cern in Genf gehen Pysiker den Ursprüngen der Materie auf die Spur, indem sie selbige in ihre subatomaren Bestandteile zerlegen. Sie beschleunigen zum Beispiel Protonen, die dann mit bis zu 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit auf der fast 27 km langen Ringbahn des Large Hadron Collider (LHC) kreisen, ehe sie zur Kollision gebracht werden. Die Spuren der Zusammenstöße werden von hochempfindlichen Detektoren genau aufgezeichnet und erlauben den Forschern, neue Erkenntnisse über den Urknall und den Aufbau der Materie zu gewinnen.

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Wie Linearbeschleuniger Teilchen auf Geschwindigkeit bringen

Bevor geladene Teilchen wie Protonen auf ihren Kollisionskurs im LHC gebracht werden, bringt sie ein Linearbeschleuniger auf eine Anfangsgeschwindigkeit von rund 30% der Lichtgeschwindigkeit. Am Cern ist beispielsweise der Linear Accelerator „Linac 2“ im Einsatz. Dieser beschleunigt eingespeiste Protonen mithilfe von mehreren hintereinandergeschalteten röhrenförmigen Elektroden. An diese ist eine Wechselspannung angelegt, und zwar zeitlich so abgestimmt, dass jedes Proton stets von der vor ihm liegenden Elektrode elektrostatisch angezogen wird und von der hinter ihm liegenden Elektrode abgestoßen. Nach 30 Metern werden die beschleunigten Protonen dann von Linac 2 in den ersten Ringbeschleuniger „PSB“ injiziert, und über weitere Beschleuniger schließlich in den LHC geleitet.

Doch so leistungsstark die aktuellen Maschinen wie der LHC am Cern auch sind: Schon jetzt ist abzusehen, dass deutlich höhere Energien gebraucht werden, um offene Fragen in der Teilchenphysik zu beantworten: Gibt es Supersymmetrie, was ist die Dunkle Materie, welche Kraft steckt hinter der Dunklen Energie? Allerdings lassen sich die bisher verwendeten Technologien nur mit hohem Aufwand verbessern und ausbauen.

Daher stellt sich die Frage nach alternativen, kostengünstigeren Beschleunigerkonzepten. Mit dem Projekt Awake entwickeln Wissenschaftler derzeit eine vielversprechende Technologie für neue Linearbeschleuniger, die Elektronen statt Protonen als Kollisionsmaterial nutzen.

Nur 2% der Strecke für 100% Energie

„Unser Team verfolgt das Ziel, Elektronen mit Hilfe eines Plasmas auf einer relativ kurzen Distanz zu beschleunigen“, sagt Prof. Dr. Allen Caldwell, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecher von Awake. „Wir gehen davon aus, dass wir in einem künftigen Plasmabeschleuniger nur etwa einen Meter brauchen, um Elektronen auf einen Gigaelektronenvolt (GeV) zu bringen.“ Zum Vergleich: herkömmliche Linearbeschleuniger benötigen dafür 50 Meter.

Nach vierjähriger Entwicklungszeit vermelden die Wissenschaftler nun den Durchbruch: Am 25. Mai 2018 beobachteten sie erstmals, wie sich mit Awake Elektronen beschleunigen ließen. Die Elektronen erreichten dabei eine Energie von zwei GeV. „Mit einem solchen Erfolg hatten wir erst gegen Ende des Jahres gerechnet“, kommentiert Caldwell. „Mit der jetzt erzielten Energie haben sich unsere Erwartungen voll erfüllt. In dieser frühen Projektphase ging es zunächst darum zu überprüfen, inwieweit sich das Prinzip der Plasmabeschleunigung umsetzen lässt.“

Elektronen surfen auf Plasmawellen

Ein Gang zu neuen Teilchenbeschleunigern: Im Tunnel eines ehemaligen Neutrino-Experiments haben die Forscher der AWAKE-Kooperation 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.
Ein Gang zu neuen Teilchenbeschleunigern: Im Tunnel eines ehemaligen Neutrino-Experiments haben die Forscher der AWAKE-Kooperation 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)

Awake nutzt ein Plasma, eine gasförmige Mischung aus positiv geladenen Atomen und negativen Elektronen, das sich in einer etwa zehn Meter langen Kammer befindet, der Plasmazelle. In diese wird ein Protonenstrahl eingespritzt. Auf ihrem Weg durchs Plasma ziehen die positiv geladenen Protonen die negativen Elektronen aus dem Plasma mit und produzieren eine Art Kielwelle. Speisen die Wissenschaftler zusätzliche Elektronen ein, reiten diese sozusagen auf der Welle – wie ein Surfer auf dem Wasser – und werden beschleunigt.

Die Idee der Kielfeld-Beschleunigung (englisch: Plasma Wakefield Accelaration) ist allerdings nicht ganz neu; schon in den 1970er Jahren war sie als innovativer Ansatz im Gespräch. Die ersten Versuche verwendeten allerdings keine Protonen als Wellengenerator. Zunächst erzeugte man die Plasmawellen mit Elektronen oder einem Laser. „Die erzeugten Wellen waren allerdings zu schwach für einen effektiven Teilchentransport über eine längere Distanz“, erklärt Dr. Patric Muggli, Awake-Projektleiter am Max-Planck-Institut für Physik.

Awake verwendet als erstes Experiment Protonen, die es aus dem SPS-Ring bezieht, einem der LHC-Vorbeschleuniger am Cern: Die Protonen sind schwerer als die bisher verwendeten Elektronen, können das Plasma tiefer durchdringen und damit andere Teilchen auf einer längeren Strecke mittragen, wie Muggli erklärt. „Das Ergebnis ist eine höhere Energie der mitsurfenden Teilchen.“

Das Funktionsprinzip von Awake – erklärt in einem kurzen Video [MaxPlanckSociety]:

Öffnen sich ab 2024 neue Türen zu den Geheimnissen des Alls?

Wie geht es nach diesem erfolgreichen Beschleunigungsversuch weiter? Bis zum Ende des Jahres führen die Wissenschaftler Experimente mit dem bestehenden Aufbau durch. Danach folgt zunächst ein zweijähriger Shut-down des LHC und der anderen Beschleuniger am Cern. Diese Zeit wollen die Wissenschaftler nutzen, um die Plasmazelle weiterzuentwickeln. Dabei hat das Awake-Team ein klares Ziel vor Augen. „Schon 2024 wollen wir zeigen, wie Awake für wissenschaftliche Projekte eingesetzt werden kann“, sagt Caldwell. „Zum Beispiel um die Feinstruktur von Protonen zu verstehen oder nach neuen Teilchen wie den ‚dunklen Photonen‘ zu suchen, die als Kandidat für Dunkle Materie infrage kommen.“ Er und seine Kollegen hoffen, dass Awake Physikern bald neue Türen zu den Geheimnissen des Universums öffnen wird.

Originalpublikation: Awake Collaboration: Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch. Nature, 29. August 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0485-4

* B. Wankerl, Max-Planck-Institut für Physik, 80805 München

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