Am Paul Scherrer Institut PSI sind die ersten Positronen an einer Testquelle für den geplanten Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation am CERN erzeugt worden. Der Future Circular Collider (FCC) könnte in Zukunft die Nachfolge des Large Hadron Collider antreten. Die am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL installierte Quelle nutzt neue Techniken für eine hohe Positronenausbeute, darunter Hochtemperatur-supraleitende Magnete. Der erfolgreiche Test belegt die Machbarkeit des Konzepts für die Positronenquelle − ein wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung des Elektron-Positron-Kolliders.
In einem unterirdischen Bunker im Kanton Aargau wurden an einer Testquelle, die die prinzipielle Machbarkeit zeigen sollte, erstmals Positronen erzeugt. „Das sind die ersten Positronen für das Future-Circular-Collider-Projekt und daher ein wichtiger Meilenstein“, sagt Paolo Craievich. Der Physiker vom Zentrum für Beschleunigerwissenschaften und -technologien am PSI leitet gemeinsam mit Riccardo Zennaro das PSI-Projekt zur Positronenproduktion, P³ genannt. Im FCC sollen Elektronen mit Positronen, zur Kollision gebracht werden. So hofft man, neue grundlegende Fragen über die Natur des Universums zu erforschen, die mit den heutigen Kollidern nicht zu beantworten sind.
Eine der größten technischen Herausforderungen des Kolliders besteht darin, genügend Positronen zu erzeugen und diese effizient zu einem Strahl zu bündeln – etwas, das mit den derzeitigen Technologien in dem erforderlichen Maßstab noch nicht möglich ist. Forschende am PSI haben daher in den letzten fünf Jahren eine leistungsstärkere Positronenquelle entwickelt, die nun am SwissFEL installiert ist.
Der Prototyp der Positronenquelle wird mit beschleunigten Elektronen aus dem SwissFEL getestet. Diese Elektronen treffen auf ein Wolfram-Target und erzeugen einen Positronenschauer. Die Positronenquelle soll möglichst viele dieser Teilchen aufnehmen und daraus mit starken Magnetfeldern einen fokussierten Strahl formen.
„Wenn die Elektronen auf das Target treffen, entstehen Positronen, die in viele verschiedene Richtungen fliegen“, erklärt Riccardo Zennaro vom Zentrum für Beschleunigerwissenschaften und -technologien am PSI. „Die Herausforderung besteht darin, so viele wie möglich davon einzufangen und zu einem Strahl zu bündeln. Normalerweise geht in dieser Phase ein großer Teil verloren. Unsere ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue System genügend Positronen einfangen könnte, um die Anforderungen des FCC zu erfüllen.“
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Das Herzstück der Positronenquelle ist der Einfangmagnet: ein Hochtemperatursupraleiter, der das Target umgibt. Um möglichst viele Positronen einzufangen, benötigt man ein extrem starkes Magnetfeld. Die Anforderungen überstiegen die Grenzen herkömmlicher supraleitender Magnettechnik. Deshalb entwickelten Spezialisten am PSI ein kompaktes System, das außergewöhnlich starke Felder aufrechterhalten kann und dabei im Betrieb stabil bleibt. Dieser Magnet ist für ein Feld von rund 15 Tesla ausgelegt. Zum Vergleich: Der Einfangmagnet an der SuperKEKB-Positronenquelle in Japan – einer der leistungsstärksten derzeit in Betrieb befindlichen Quellen – erreicht 3,5 Tesla.
Neben dem Einfangmagneten leiten, trennen und messen weitere neuartige Komponenten die am Target erzeugten Teilchen. Hochfrequenzgeräte beschleunigen und bündeln die Positronen, sodass sie sich effizient transportieren und schließlich in einen Kollider einspeisen lassen. Neu entwickelte Diagnosesysteme messen, wie viele Positronen erzeugt wurden, sowie deren Zeitablauf und Energie, wodurch die Forschenden beurteilen können, wie gut die neue Quelle funktioniert.
Dass nun erstmals Positronen erzeugt werden konnten, zeigt, dass die verschiedenen Komponenten wie vorgesehen zusammenwirken. „Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für das FCC“, sagt Michael Benedikt, FCC-Projektleiter am CERN. „Sie bestätigen das vorgesehene Konzept für die Positronenquelle und zeigen, dass sie das Potenzial hat, die hohen Anforderungen des Teilchenbeschleunigers zu erfüllen.“
Nachdem nun erstmals erfolgreich Positronen erzeugt wurden, werden die Forschenden die Strahlintensität erhöhen und das System optimieren. „Unser Ziel ist es, die Positronenproduktion so hochzuskalieren, dass sie den Anforderungen des FCC entspricht, und Erfahrungen mit dieser Art von Positronenquelle zu sammeln“, sagt Zennaro. [PSI / dre]
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Schweiz
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