Durchbruch bei Laser-Plasma- Beschleunigern

Durchbruch bei Laser-Plasma-Beschleunigern

Drei Gruppen haben Elektronen mit Laserpulsen auf hohe Energie beschleunigt und erstmals zu einem monoenergetischen Strahl gebündelt.

Um die kleinsten Bestandteile der Materie aufzuspüren, benötigen die Teilchenphysiker die weltweit größten Maschinen. Der ringförmige Large Hadron Collider, der gegenwärtig am Europäischen Forschungszentrum CERN gebaut wird und mit dem man ab 2007 auf die Jagd nach dem Higgs-Boson gehen will, hat einen Umfang von 27 km. Der geplante Elektron-Positron-Linearbeschleuniger Tesla braucht eine 30 km lange Strecke, um die Teilchen auf Energien von einigen Hundert GeV zu bringen. In diesen Beschleunigern werden die geladenen Partikel von Hochfrequenzfeldern mitgerissen und nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. Mit der nächsten Beschleunigergeneration wird man die Grenzen dieser Technik erreichen. Gibt es Alternativen?

Seit etwa 25 Jahren erforscht man die Möglichkeit, geladene Teilchen durch Wellen in Plasmen zu beschleunigen. Diese Wellen erzeugt man mit kurzen und intensiven Laserpulsen. Unter geeigneten Bedingungen werden dann die Elektronen und Ionen des Plasmas von solch einer Welle mitgerissen, indem sie auf ihr „surfen“. Vor zwei Jahren hatten Victor Malka von der École Nationale Supérieure des Techniques Avancées in Palaiseau und seine Kollegen auf diese Weise Elektronen auf Energien von bis zu 200 MeV beschleunigt. Da klingt zwar bescheiden im Vergleich zu den vielen GeV, die die Teilchenphysiker benötigen. Doch die surfenden Elektronen erreichten ihre Energie auf einer Beschleunigungsstrecke von wenigen Millimetern, wofür ein herkömmlicher Teilchenbeschleuniger mehrere Meter benötigt hätte. Im Plasma lassen sich nämlich wesentlich stärkere elektrische Felder aufbauen als in den Röhren der Beschleuniger, bei denen Feldstärken von etwa 55 MV/m die materialbedingte Obergrenze sind.

Mit kurzen und intensiven Laserpulsen in einem Plasmakanal lassen sich Elektronenstrahlen in sehr hoher Qualität erzeugen. (Quelle: Berkeley Lab / C. Geddes).

So ermutigend die französischen Experimente auch waren, so hatten sie doch zwei Schönheitsfehler. Zum einen erreichten die surfenden Elektronen unterschiedliche Energien, die über einen sehr großen Bereich verteilt waren. Zum anderen lief der erzeugte Elektronenstrahl mit einem Winkel von 3 Grad auseinander. Der Strahl war also weder monoenergetisch genug noch ausreichend fokussiert, um die Teilchenphysiker aufhorchen zu lassen. Doch jetzt ist der Gruppe um Victor Malka sowie zwei anderen Forschergruppen vom Rutherford Appleton Laboratory und vom Lawrence Berkeley National Laboratory unabhängig voneinander der Durchbruch gelungen. Sie haben die surfenden Elektronen zu einem sehr intensiven, nahezu monoenergetischen und fokussierten Strahl gebündelt.

Die drei Gruppen haben die ultrakurzen Lichtpulse (30-50 fs Pulslänge) eines Terawattlasers (10-30 TW Leistung) auf einen ionisierten, millimeterlangen Gasstrahl gerichtet. Die vom Laserpuls erzeugte Plasmawelle riss mehrere Milliarden Elektronen mit sich fort. Dabei hatten die Elektronen zunächst sehr unterschiedliche Energien. Doch nachdem sie die Plasmawelle hinabgesurft waren, hatten sie nahezu dieselbe Energie erreicht, die bei den drei Experimenten im Bereich von 80-170 MeV lag. Für die optimale Beschleunigung der Elektronen kam es darauf an, dass die Elektronen eine Plasmawelle möglicht vollständig hinabsurften, ohne an der vorlaufenden Welle wieder hinaufzusurfen und auf diese Weise Energie zu verlieren.

Ob man mit den Plasma-Laser-Beschleunigern die Elektronen auch über Meterdistanzen beschleunigen und damit auf Energien von vielen GeV bringen kann, ist noch unklar. Doch die Experimente haben gezeigt, dass man mit der Qualität des Elektronenstrahls und mit der Zahl der Elektronen pro Puls in einen Bereich vorstößt, der für die Teilchenphysik von Interesse ist. Die rasante technische Entwicklung bei den gepulsten Lasern hin zu immer kürzeren Pulsdauern und höheren Leistungen wird auch die Elektronenenergien, die man mit den neuen Beschleunigern erreichen kann, nach oben treiben. Schon jetzt zeichnet sich ab, dass man mit den kompakten Plasma-Laser-Beschleunigern gepulste Teilchen- und Röntgenstrahlen hoher Qualität herstellen kann, für die sich zahlreiche Anwendungen ergeben werden.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  S. P. D. Mangles et al.: Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions. Nature 431, 535 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02939  
• C. G. R. Geddes et al.: High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding. Nature 431, 538 (2004). 
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02900  
• J. Faure et al.: A laser–plasma accelerator producing monoenergetic electron beams. Nature 431, 541 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02963  
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Weitere Literatur:

• Thomas Katsouleas: Electrons hang ten on laser wake. Nature 431, 515 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/431515a  
• Pressemitteilung vom Rutherford Appleton Laboratory:
  http://www.cclrc.ac.uk/Activity/News2004;SECTION=6401;  
• Pressemitteilung vom Lawrence Berkeley National Laboratory:
  http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/AFRD-laser-wakefield.html  
• Artikel auf pro-physik.de (27.11.2002):
  Teilchenbeschleuniger: Elektronen "surfen" auf Plasmawellen schneller