Tischgroßer Teilchenbeschleuniger knackt Weltrekord

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.

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.