Neuer Rekord für Mini-Teilchenbeschleuniger: Zehn Gigaelektronenvolt auf nur zehn Zentimeter Strecke

Erstmals gelang es Forscher:innen in den USA, Elektronen in einem nur zehn Zentimeter langen Teilchenbeschleuniger auf Energien von zehn Gigaelektronenvolt beschleunigt. Damit stellten sie einen neuen Rekord auf, der durch eine neuartige Ergänzung des von einem Petawatt-Laser betriebenen Plasma-Kielwellen-Beschleuniger ermöglicht wurde. Dabei geht es um das Heliumgas in der Beschleunigerkammer. Dieses ist mit Aluminium-Nanopartikeln angereichert, die die Ladungsdichte im Gas erhöhen und dadurch die Beschleunigung verstärken.

Hohe Energie dank Nanopartikeln

Wer das Wort Teilchenbeschleuniger hört, der denkt an kilometerlange, ringförmige Anlagen wie etwa den Large Hardron Collider am CERN in der Schweiz. In den letzten Jahren kamen aber auch vermehrt miniaturisierte Beschleuniger für Elektronen auf, die etwa so groß wie ein Tisch oder noch kleiner sind. Im Regelfall kommt dabei die Kielwellen- oder Wakefield-Technologie zum Einsatz, bei der starke Laserpulse durch eine Kammer geschossen werden, die mit gasförmigen Plasma gefüllt ist, was ein kielwellenförmiges elektrisches Feld erzeugt. das die Elektronen im Plasma beschleunigt. Dabei entsteht ein wesentlich steilerer Beschleunigungsgradient als bei klassischen Großanlagen, weshalb wenige Zentimeter Strecke ausreichen, um Energien im Gigaelektronenvolt-Bereich zu erreichen. Bis vor kurzem lag der Rekord noch bei etwa acht Gigaelektronenvolt auf 20 Zentimetern.

Einem Team rund um Constantin Aniculaesei von der University of Texas in Austin gelang es nun jedoch, diesen Rekord zu übertreffen. Dafür haben sie einen Laser-Beschleuniger entwickelt, der Elektronen auf einer Strecke von zehn Zentimetern auf Energien um die zehn Gigaelektronenvolt beschleunigt. Als Elektronenlieferant dient dabei nicht nur das Plasma aus Heliumgas, sondern auch spezielle Nanopartikel.

In der kleinen, gasgefüllten Beschleunigerkammer, die etwa zehn Zentimeter lang ist, ist eine kleine Aluminiumplatte montiert, die direkt vor der Beschleunigungsphase von einem zweiten Laser bestrahlt wird, der Aluminium-Nanopartikel freisetzt, die dann im Helium vorhanden sind. Diese Mischung wird dann von dem Petawatt-Beschleunigungslaser bestrahlt, was das Helium zu Plasma wandelt und die Nanopartikel ionisiert.

Zehn Gigaelektronenvolt auf einer Strecke von zehn Zentimetern

„Die Nanopartikel geben ihre Elektronen genau zur richtigen Zeit am richtigen Ort frei. Wir bekommen so mehr Elektronen genau dann in die Kielwelle, wenn wir sie brauchen – das ist unsere geheime Zutat„, erklärt Bjorn Manuel Hegelich von der University of Texas, einer der Seniorautoren der Studie. In Kontrolldurchgängen ohne die Nanopartikel erreichten die Physiker:innen Energien von etwa zwei Gigaelektronenvolt. Unter Einsatz der Aluminium-Nanopartikel dagegen konnten auf der kurzen Strecke von zehn Zentimetern Energien von etwa zehn Gigaelektronenvolt erreicht werden.

Der Miniatur-Teilchenbeschleuniger der Forscher:innen konnte so einen neuen Weltrekord aufstellen. In den USA gibt es lediglich zwei Teilchenbeschleuniger, in denen jemals solche Energien erreicht werden konnten. Beide davon sind mehr als drei Kilometer lang. Die Forscher:innen haben bereits ein Patent auf den Nanopartikel-Plasmabeschleuniger angemeldet. Bisher ist allerdings noch nicht klar, wie diese hohen Energien überhaupt erreicht werden.

„Zurzeit haben wir kein befriedigendes theoretisches Modell oder eine experimentelle Erklärung dafür, dass so hohe Elektronenenergien erzeugt werden Wir untersuchen aktuell mehrere theoretische Szenarien„, erklären die Forscher:innen. Aktuell wird außerdem daran gearbeitet, den für die Beschleunigung benötigten Hochleistungslaser zu miniaturisieren.

via University of Texas Austin

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