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Berkeley Lab
Läuft ein Laserpuls (Ellipse) durch ein Plasma, beschleunigt das Feld (Wellenstruktur) die Elektronen in seinem "Gefolge" (gelbe Punkte) auf Energien von Gigaelektronvolt und mehr.
Copyright: Berkeley Lab

Neue Teilchenbeschleuniger: geradeaus denken!

Während die Welt gespannt darauf wartet, dass der LHC (Large Hadron Collider) in Genf wieder in Betrieb geht, arbeiten Theoretiker an Methoden, auch Elektronen auf Rekordenergien zu bringen - und einen Linearbeschleuniger "en miniature" zu bauen.
Für Experimente mit Elementarteilchen müssen diese über eine enorm hohe Energie verfügen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Physiker sie in einzelnen Stufen beschleunigen. Um nicht zu viele solcher Stufen zu benötigen, werden die meisten Beschleuniger als Ringe angelegt - man schickt die Teilchen einfach viele Male durch den Rundkurs. Die Sache hat allerdings einen Haken. Die Partikel müssen ja mittels starker Magnetfelder um die Kurve gezwungen werden und geladene Teilchen geben dabei einen Teil ihrer Energie als elektromagnetische Strahlung wieder ab. Um die Verluste so gering wie möglich zu halten, gibt es nur einen Ausweg - den Radius der Kurve so groß wie möglich zu machen. Der LHC am Forschungszentrum CERN in Genf ist der Rekordhalter, sein unterirdischer Ring hat einen Durchmesser von rund achteinhalb Kilometern.

Besonders betroffen von den Energieverlusten in Speicherringen sind Leptonen - leichte Teilchen wie Elektronen und ihre Antiteilchen -, da sie bei gleicher kinetischer Energie mit höherer Geschwindigkeit unterwegs sind und somit mehr Strahlung abgeben. Wollen die Physiker auch mit ihnen experimentieren, kommt nur ein kurvenloser Beschleuniger in Frage, also ein Linear Accelerator, kurz Linac. Aber genügend lange Anlagen sind entsprechend aufwändig. Nun jedoch haben Physiker des Max-Planck-Instituts für Physik (MPP) und der Universitäten in Düsseldorf und Nowosibirsk eine Methode präsentiert, mit der auch an Ringbeschleunigern mit Leptonen experimentiert werden kann.

Ihre Arbeit beruht auf der so genannten Plasma-Wakefield-Acceleration (PWFA). Dabei wird mit einem Laser ionisiertes Gas - in der Fachsprache "Plasma" - beschossen und so die positiven und negativen Teilchen darin versetzt, wodurch sich "im Gefolge (engl. wake)  des Laserstrahls" ein enorm starkes elektrisches Feld aufbaut, das sie beschleunigt. Durch den Einsatz dieser Technik am drei Kilometer messenden Stanford Linear Accelerator (SLAC) konnte 2007 dessen Energieausbeute verdoppelt werden - bei einer zusätzlichen Länge von nur einem Meter!

Das Team um Allen Caldwell vom MPP schlägt nun vor, statt dem Laser einen gepulsten Strahl von Protonen zu verwenden. Dieser könnte einem "herkömmlichen" Beschleuniger entnommen werden und gibt - den Simulationen der Gruppe zufolge - seine Energie in einem einzigen Plasmadurchgang an die Elektronen ab. Somit stünden den Teilchenphysikern mit einem Schlag neben den schweren aus Quarks zusammengesetzten Hadronen auch punktförmige Leptonen wie Elektronen und Positronen bei ähnlich hohen Energien zur Verfügung. Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten, das Standardmodell mit bisher unerreichter Genauigkeit zu überprüfen oder es gar zu erweitern.

Bei der praktischen Umsetzung dieses Vorhabens sollten sich die Forscher jedoch nicht allzu viel Zeit lassen. Denn ihre Kollegen am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien planen mittels immer stärker werdender Laser, die ursprüngliche PWFA so zu verbessern, dass damit aus etwa hundert Beschleunigermodulen in Reihe eine neue geradlinige Rekordanlage gebaut werden könnte, die Teilchen auf Energien wie beim LHC bringt - bei einer Länge von nur wenigen hundert Metern.

Quelle: Caldwell, A. et al.: "Proton-driven plasma-wakefield acceleration" in: Nature Physics 10.1038/nphys1248, 2009; und: Lawrence Berkeley National Laboratory.