18. Dezember 2019

Laser-Plasmabeschleuniger ohne Limits

HZDR-Physiker stellen neues Konzept für laserbasierte Elektronenbeschleuniger vor.

Sie sind klein, günstig und die heimliche Hoffnung der Teilchenphysiker: Laser-Plasmabeschleuniger. Doch ihre erreichbare Maximalenergie pro Beschleunigungsstufe ist limitiert. Bis jetzt zumindest. Denn eine Forschergruppe um Dr. Alexander Debus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat ein Konzept auf Grundlage theoretischer Überlegungen und großskaliger Simulationen entwickelt, mit dem die Grenzen fallen dürften. Kompakte Teilchenbeschleuniger für Forschung, Medizin und Industrie rücken damit in greifbare Nähe.

Der Teilchenbeschläuniger
Mit Teilchenbeschleunigern gehen Physiker den Rätseln der Materie auf den Grund. Biologen speisen damit Röntgenlaser, um Zellen bei der Arbeit zuzusehen. Mediziner behandeln mit den energiereichen Strahlen Krebserkrankungen und Ingenieure nutzen sie, um sparsamere Bauelemente für die Leistungselektronik zu erschaffen. Doch herkömmliche Beschleuniger sind enorm groß und sehr kostspielig. Ein Beispiel: Um den Röntgenstrahl am European XFEL zu produzieren, wird ein Elektronenstrahl mit 17,5 Gigaelektronenvolt (GeV) benötigt – der dazugehörige Beschleuniger hat eine Baulänge von rund 1,7 Kilometer.

Kompakte Laser-Plasma Beschleuniger
„Einen Plasmabeschleuniger mit der gleichen Elektronenenergie kann man über 1.000, vielleicht sogar 10.000 Mal kleiner bauen“, sagt Alexander Debus. „Was vorher Kilometer waren, sind dann nur noch Zentimeter.“ An der Technologie arbeiteten in den vergangenen 20 Jahren viele Forscher intensiv. Heute lassen sich mit den kompakten Geräten die Elektronen in einem Durchgang bis auf 10 GeV beschleunigen. Doch damit scheint das Ende der Fahnenstange erreicht zu sein. Von Energien für grundlegende Teilchenphysik im Bereich einiger Teraelektronenvolt (TeV), wie sie der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in der Schweiz mit Protonen erreicht, sind Laser-Plasmabeschleuniger aktuell noch einige Größenordnungen weit entfernt.

Das wollten Debus und sein Team ändern. Ihr Ziel: „Wir möchten die Elektronen gern auf die höchsten, auf der Erde erreichbaren Energien beschleunigen.“ Dafür haben sie nun ein Konzept entworfen, das die Grenzen überwinden könnte. Anders als bisher üblich, schießen sie nicht mit einem Laser in Längsachse durch das Plasma, sondern bringen die Energie mit zwei getrennten Lasern von seitlich außen in eine Ebene hinein. Ihre theoretischen Überlegungen haben die Wissenschaftler mit verschiedenen Simulationen überprüft und weiter verfeinert. Dazu nutzten sie die HZDR-Simulationssoftware „PIConGPU“ sowie Europas schnellsten Rechencluster, den Piz Daint in der Schweiz.

Lesen Sie beim HZDR mehr dazu, wie die Elektronen auf der Plasmawelle „surfen“ und welche Ziele die Forschenden weiter verfolgen werden.


Foto ©HZDR/A. Debus: Neues Konzept für die Laser-Teilchenbeschleunigung: Anstatt mit einem Laser in Längsachse durch das Plasma zu schießen, ermöglichen zwei getrennte, seitlich eingebrachte Laser höhere Teilchenenergien sowie beispiellose Kontrolle über den Beschleunigungsprozess im Plasma.

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