4,25 Gigaelektronenvolt 12.12.2014, 06:55 Uhr

Tischgroßer Teilchenbeschleuniger knackt Weltrekord

Mit einem tischgroßen Laser-Teilchenbeschleuniger haben US-Wissenschaftler Elektronen auf 4,25 Gigaelektronenvolt beschleunigt. Weltrekord. Und Grund zur Hoffnung, in Zukunft eine Alternative zu kilometerlangen Teilchenbeschleunigern zu etablieren. 

Mit ihrem tischgroßen Kielfeld-Beschleuniger Bella haben kalifornische Wissenschaftler ultrakurze Laserpulse durch ein strohhalmdünnes, etwa neun Zentimeter langes Röhrchen mit Plasma geschickt. Die mitgerissenen Elektronen wurden dabei auf 4,25 Gigaelektronenvolt beschleunigt.

Mit ihrem tischgroßen Kielfeld-Beschleuniger Bella haben kalifornische Wissenschaftler ultrakurze Laserpulse durch ein strohhalmdünnes, etwa neun Zentimeter langes Röhrchen mit Plasma geschickt. Die mitgerissenen Elektronen wurden dabei auf 4,25 Gigaelektronenvolt beschleunigt.

Foto: Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab

Eindrucksvoll sind sie, die riesigen Teilchenbeschleuniger, in denen elektrisch geladene Teilchen auf annähernde Lichtgeschwindigkeit gebracht werden, um den Aufbau der Materie zu erforschen. Der Beschleunigerring des Large Hadron Colliders (LHC) der europäischen Organisation für Nuklearforschung CERN etwa hat einen Umfang von über 26 Kilometern. 9300 Magnete bringen die Teilchen in mehreren Umläufen durch den Ring in Schwung, bevor sie mit extrem hoher kinetischer Energie zur Kollision gebracht werden.

Kielfeld-Beschleuniger nutzt Laser statt Magnete

Durch ihre Größe stoßen solche herkömmlichen Teilchenbeschleuniger allerdings immer mehr an praktische und letztlich auch finanzielle Grenzen. Mehr als 100 Megaelektronenvolt pro Meter Strecke können in ihnen nicht erreicht werden. Soll die Leistungsfähigkeit steigen, müssen sie also immer länger und größer gebaut werden. 

Mit dem sogenannten Kielfeld-Beschleuniger ist in den vergangenen zehn Jahren aber eine interessante Alternative zu den herkömmlichen Teilchenbeschleunigern aufgetaucht. Wim Leemans vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien und seine Kollegen haben mit ihrer nur tischgroßen Anlage namens Bella jetzt sogar einen Weltrekord aufgestellt.

Austausch eines riesigen Magneten im Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf. Mit 9300 Magneten und einem Umfang von 26 Kilometern ist LHC derzeit der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. 

Austausch eines riesigen Magneten im Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf. Mit 9300 Magneten und einem Umfang von 26 Kilometern ist LHC derzeit der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. 

Quelle: Maximilien Brice/CERN

Der Kielfeld-Beschleuniger nutzt keine Magnete, um die Teilchen zu beschleunigen, sondern extrem energiereiche Laserpulse. Die werden in einen Kanal mit Plasma geschossen, wodurch sich Elektronen lösen und eine Plasmawelle angeregt wird, in der hohe elektrische Feldstärken herrschen. Diese Welle wandert mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Plasma. Ein entsprechend schneller Teilchenstrahl kann daher wie ein Surfer auf der Welle reiten und wird kontinuierlich beschleunigt. Kilometerlange Beschleunigerringe sind für solche Laser-Plasma-Beschleuniger nicht mehr notwendig.

Leistung entspricht dem eines großen herkömmlichen Teilchenbeschleunigers

Mit ihrem Kielfeld-Beschleuniger Bella, der auf einen Tisch passt, haben die kalifornischen Wissenschaftler ultrakurze, nur 40 Femtosekunden lange Laserpulse von 300 Terawatt Leistung, was 300 Billionen Watt entspricht, durch ein strohhalmdünnes, etwa neun Zentimeter langes Röhrchen mit Plasma geschickt. Die mitgerissenen Elektronen wurden dabei auf 4,25 Gigaelektronenvolt beschleunigt. Das ist mehr als je in einem Laser-Plasma-Beschleuniger erreicht worden ist und entspricht ungefähr dem, was im größten deutschen Teilchenbeschleunigerring DESY in Hamburg erreicht wird. 

Als Nächstes soll die Zehn-Gigaelektronenvolt-Marke fallen 

Als Schlüssel zu ihrem Erfolg führen die Wissenschaftler an, dass sie den Weg, den die Welle durch das Plasma gehen sollte, durch einen elektrischen Impuls, der vor dem Laserpuls erfolgte, gewissermaßen vorgezeichnet hätten. Der Laserpuls wurde auf diese Weise beinahe ungebrochen durch das Plasma geführt. Weitere Parameter, die die Physiker für ihr erfolgreiches Experiment mithilfe von Computersimulationen optimierten, waren die ideale Dichte des Plasmas sowie die Größe des Laserpuls-Fokus. Als Nächstes will Wim Leemans mit seinem Team und einem weiter verbesserten Laser-Beschleuniger die Marke von zehn Gigaelektronenvolt knacken.  

Von Gudrun von Schoenebeck
Tags:

Stellenangebote im Bereich Forschung & Entwicklung

Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH Schwieberdingen-Firmenlogo
Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH Schwieberdingen Entwicklungsingenieur Mechatronic Design (m/w/d) Schwieberdingen bei Stuttgart
Narda Safety Test Solutions GmbH-Firmenlogo
Narda Safety Test Solutions GmbH Ingenieur Kalibrierlabor (m/w/d) Pfullingen
Schüco International KG-Firmenlogo
Schüco International KG Leiter (w/m/d) Entwicklung Türen und Brandschutzsysteme Bielefeld
Narda Safety Test Solutions GmbH-Firmenlogo
Narda Safety Test Solutions GmbH Leiter Kalibrierlabor (m/w/d) Pfullingen
Sensocab Kabelproduktion GmbH-Firmenlogo
Sensocab Kabelproduktion GmbH Entwicklungs-/Prozessingenieur (m/w/d) Nagold
wenglor sensoric gmbh-Firmenlogo
wenglor sensoric gmbh Entwicklungsingenieur (m/w/d) Elektronik Hardware Eching
Fresenius Kabi-Firmenlogo
Fresenius Kabi Projektingenieur (m/w/d) im Bereich Maschinenbau Friedberg
fischer automotive systems-Firmenlogo
fischer automotive systems Versuchs-/Testingenieur (m/w/d) Automotive Horb
Carl Zeiss AG-Firmenlogo
Carl Zeiss AG Gruppenleiter Elektronikentwicklung / Elektrokonstruktion in der Automatisierung (m/w/x)
Advanced Nuclear Fuels GmbH-Firmenlogo
Advanced Nuclear Fuels GmbH Ingenieur (m/w/d) in der Verfahrenstechnik Karlstein

Alle Forschung & Entwicklung Jobs

Top 5 Forschung

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.