Elektronenbeschleuniger aus Plasmawellen

Ritt auf der Plasmawelle

Mithilfe einer Plasmawelle konnten amerikanische Forscher Elektronen über eine Strecke von nur 85 Zentimetern von 42 auf über 85 GeV beschleunigen.

Teilchenbeschleuniger sind derzeit große und teure Forschungseinrichtungen. Die Beschleunigung von Teilchen durch Plasmawellen könnte künftig eine platzsparende und kostengünstige Alternative zur traditionellen Beschleunigung durch elektromagnetische Felder bieten. Einem Team amerikanischer Forscher gelang nun ein Durchbruch: Über eine Strecke von nur 85 Zentimetern konnten sie Elektronen mit einer Plasmawelle von 42 auf über 85 Gigaelektronenvolt beschleunigen.

„Das ist ein wichtiger Schritt, um die Anwendbarkeit von Plasmabeschleunigern in der Hochenergiephysik zu demonstrieren“, schreiben Ian Blumfeld und seine Kollegen vom Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in der Zeitschrift „Nature“. „Es ist uns immerhin gelungen, in weniger als einem Meter einen Energiezuwachs zu erreichen, für den der SLAC-Beschleuniger sonst drei Kilometer benötigt.“

Die Elektronen reiten bei diesem Verfahren gewissermaßen auf ihrer eigenen Bugwelle. Ein Boot, das sich durchs Wasser bewegt, zieht eine Bugwelle hinter sich her. In den 1830er Jahren zeigte der schottische Ingenieur John Scott Russell, dass ein durch einen Kanal fahrendes Boot durch seine eigene Bugwelle eine Beschleunigung erfahren kann. Zu einem ähnlichen Effekt kommt es, wenn sich ultrarelativistische Elektronen durch ein Gas bewegen: Die Teilchen erzeugen eine Plasmawelle, die wiederum einen Teil der Elektronen beschleunigt.

Mit einem hochkonzentrierten Elektronenstrahl aus dem Slac ionisierten sie ein Lithium-Gas. Die enorme Anziehung der dabei entstehenden positiv geladenen Gas-Ionen ließ die durchschießenden Elektronen trotz ihrer hohen Geschwindigkeit wieder umkehren. Doch rasten sie dann über ihr Ziel hinaus und erzeugten nach dem erneuten Durchqueren des Plasmas ein elektrisches Wirbelfeld, ähnlich der Wirbelschleppe eines Bootes. Die Mehrzahl der Strahlelektronen verlor in den Wirbeln an Geschwindigkeit, doch eine kleine Anzahl surfte gleichsam auf dem hinteren Ende der Welle und gewann dabei enorm an Energie. Das normalerweise hoch labile Plasma bildete eine stabile Säule, die den Elektronenstrahl zugleich fokussierte. Seitliches Wegspritzen von Elektronen, häufig ein Problem in Plasmabeschleunigern, beobachteten die Forscher nicht.

Prinzipiell sollte ein Plasma-Beschleuniger herkömmlichen Beschleunigern überlegen sein. Denn bei letzteren ist der Stärke der Felder, die zur Beschleunigung eingesetzt werden, eine Grenze gesetzt: Wird das Feld zu stark, so entreißt es dem umgebenden Metall die Elektronen. Ein Plasma dagegen ist bereits ionisiert – es kann deshalb Felder tragen, die um ein Vielfaches stärker sind. Im Experiment der SLAC-Forscher sind die Felder im Plasma mehr 1000-mal stärker als im SLAC-Linearbeschleuniger.

Abb.: Das Prinzip der Plasma-Beschleunigung: Der Elektronenstrahl entreißt den Gasatomen Elektronen. Die freigesetzten Elektronen werden nach außen geschleudert, fallen hinter dem Strahl in das Plasma zurück, schwingen aber zunächst durch das Plasma hindurch und erzeugen so ein oszillierendes elektrisches Feld. Diese Welle beschleunigt einen Teil der Elektronen des Strahls. (Quelle: SLAC)

In den vergangenen Jahren konnten eine ganze Reihe von Forscherteams das Prinzip Plamawellen-Beschleunigung (engl.: plasma wake field acceleration, PWFA) erfolgreich demonstrieren – allerdings nur über Strecken von Millimetern oder wenigen Zentimetern. Zu wenig, um Energien zu erreichen, die mit den traditionellen Teilchenbeschleunigern konkurrieren können.

Blumenfeld und seine Kollegen schossen ein im SLAC-Beschleuniger erzeugtes Paket aus relativistischen Elektronen mit einer Energie von 42 GeV auf eine 85 Zentimeter lange, mit Lithium-Dampf gefüllte Röhre. Das starke elektrische Feld der Elektronen führte zu einer sofortigen Ionisierung des Gases in der „Bugwelle“ des Elektronenstrahls. Zwar verlieren die Elektronen durch die Ionisierung einen Teil ihrer Energie. Doch ähnlich wie beim Boot im Kanal beschleunigt die dadurch im Lithium-Dampf erzeugte Plasmawelle einen Teil der Elektronen – und zwar ganz gewaltig: Sie verlassen das Gas mit Energien von bis zu 85 GeV, haben ihre Energie auf dieser kurzen Strecke also mehr als verdoppelt.

Noch ist es allerdings ein weiter Weg, bis kleine Plasmabeschleuniger die herkömmlichen Großanlagen ersetzen können. So ist es schwierig, mit Plasmabeschleunigern monoenergetische Teilchenpakete zu erzeugen, wie sie für die Experimente der Hochenergiephysiker benötigt werden. Trotzdem könnten in nicht allzu ferner Zukunft Hybridmaschinen die Szene beherrschen, in denen elektromagnetische Beschleuniger die Teilchen auf Energien von rund 100 GeV bringen und Plasmabeschleuniger die Teilchen anschließend in die Teraelektronenvolt-Zone katapultieren.

Rainer Kayser

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