Polarisierte Helium-3-Strahlen beschleunigen
Erhalt des Polarisationszustands der Teilchen ist ein wichtiger Fortschritt für die Laser-Plasma-Beschleunigertechnologie.
Eine Alternative zu kilometergroßen Ringanlagen sind kompakte Laser-Plasma-Beschleuniger, die für einen Bruchteil der Kosten gebaut und betrieben werden können. In ihnen können Beschleunigungsfelder erreicht werden, die rund tausendfach stärker sind bei herkömmlichen Beschleunigern. Ein Forschungsteam um Markus Büscher, Physikprofessor an der HHU und Arbeitsgruppenleiter am Peter-Grünberg-Institut in Jülich, stellt in einer Übersichtsarbeit den bisherigen Forschungsstand zusammen. In einer weiteren Studie berichtet das Team über einen besonderen Aspekt der Laser-Plasma-Beschleunigung: Bleibt die kollektive Ausrichtung des Spins von beschleunigten Teilchen in Laser-Plasma-Beschleunigern erhalten?
„Bei einer Reihe grundlagenwissenschaftlicher Fragestellungen ist die Spinausrichtung entscheidend, denn diese beeinflusst die Wechselwirkung zwischen Teilchen“, erläutert Büscher und ergänzt: „Bei der kontrollierten Kernfusion steigt die Reaktionswahrscheinlichkeit und damit letztendlich die im Reaktor produzierte Energie deutlich, wenn die Spins der verschmelzenden Kerne – also des ‚Fusionstreibstoffes‘ – parallel ausgerichtet sind.“
Besser beschleunigen mit einem Laserplasma
Meilenstein in der Plasmabeschleunigung
Plasmabeschleunigung im Tandem
Laserpulse mit Terawatt-Leistung
Teilchen beim Wellenreiten
Mehr Schub mit Plasmawellen
Um nachzuweisen, ob die Polarisation bei den beschleunigten Teilchen erhalten bleibt, mussten die Forschenden erheblichen Aufwand treiben. Sie nutzen dazu ein spezielles Isotop des Edelgases Helium, 3He. Zunächst erzeugten sie am Morgen jeden Messtages am Forschungszentrum Jülich ein vorpolarisiertes Helium-3-Gas, das sie anschließend in einem Spezialbehälter zur GSI in Darmstadt transportierten. Am dortigen Hochleistungslaser PHELIX konnten sie die Laser-Plasma-Beschleunigung vornehmen. Mithilfe von CR-39-Platten maßen die Physiker dann den Polarisationsgrad der beschleunigen 3He-Ionen.
Büscher: „Wir konnten weltweit erstmals nachweisen, dass die Polarisation von 3He-Teilchen bei Laser-Plasma-Beschleunigung erhalten bleibt. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, um die neue Beschleunigungstechnologie für verschiedenen Einsatzbereiche nutzen zu können.“
Die Ergebnisse sind auch für die Laser-Plasma-Beschleunigung von anderen Teilchen wie Protonen oder Elektronen in Interesse. So sind bei der Streuung von polarisierten Elektronen mit Protonen und Neutronen tiefere Einsichten in die Struktur und fundamentalen Wechselwirkungen der Bausteine der Materie zu erwarten. „Sie eignen sich besonders, um die Physik jenseits des Standardmodells zu untersuchen, um etwa Axionen zu erzeugen, mögliche Kandidaten für die ‚Dunkle Materie‘“, wagt Büscher einen Ausblick. [HHU / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikationen
C. Zheng, P. Fedorets, Z. Chitgar, et al., Preservation of 3He ion polarization after laser-driven acceleration in plasma, High Power Laser Sci. Eng., 1-7, 17. April 2026; DOI: 10.1017/hpl.2026.10140
L. Reichwein, Z. Gong, C. Zheng, et al., Plasma acceleration of polarized particle beams, Rep. Prog. Phys. 88, 117001, 14. November 2025; DOI 10.1088/1361-6633/ae1988 - PHELIX Lasersystem, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
- Experiments with PW Lasers (Markus Büscher), Peter Grünberg Institut (PGI-6) / Short-Pulsed Particle and Radiation Center (JuSPARC), Forschungszentrum Jülich
Anbieter
Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfUniversitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Deutschland
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