06.05.2026

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?

Justage der Targetdiagnose-Optik in der Phelix-Vakuumkammer. Rechts im Bild sieht man einen großen Fokussierspiegel für den Petawatt-Laserstrahl des Phelix-Lasers.
Jus­tage der Target­dia­gnose-Optik in der Phelix-Vakuum­kam­mer. Rechts im Bild sieht man ei­nen großen Fo­kus­sier­spie­gel für den Peta­watt-Laser­strahl des Phelix-Lasers.
Quelle: HHU, Markus Büscher, mit frdl. Gen.
Eine wichtige Komponente des polarisierten Helium-3 Targets sind magnetische Haltefelder, welche durch Säulen mit Permanentmagneten und Helmholtz-Spulen erzeugt werden. Das Foto zeigt sie während des Einbaus in die Phelix-Vakuumkammer.
Eine wich­ti­ge Kom­po­nen­te des po­la­ri­sier­ten Helium-3 Tar­gets sind mag­ne­ti­sche Hal­te­fel­der, die durch Säu­len mit Per­ma­nent­mag­ne­ten und Helm­holtz-Spu­len er­zeugt wer­den. Das Foto zeigt sie wäh­rend des Ein­baus in die Phelix-Va­ku­um­kam­mer.
Quelle: HHU, Markus Büscher, mit frdl. Gen.
ersuchsprinzip: Ein Gasstrahl von polarisiertem Helium-3 (von links kommend) wird mit einem intensiven Laserpuls aus dem PHELIX-Laser beschossen (Mitte), so dass es zu einer Laser-Plasma-Beschleunigung kommt. Die beschleunigten Helium-3-Teilchen treffen (rechts) auf einen Detektor, der den Polarisationsgrad misst.
ersuchsprinzip: Ein Gasstrahl von polarisiertem Helium-3 (von links kommend) wird mit einem intensiven Laserpuls aus dem PHELIX-Laser beschossen (Mitte), so dass es zu einer Laser-Plasma-Beschleunigung kommt. Die beschleunigten Helium-3-Teilchen treffen (rechts) auf einen Detektor, der den Polarisationsgrad misst.
Quelle: HHU, Markus Büscher; KI
Magnetische Box, mit der das vorpolarisierte Helium-3-Gas vom Forschungszentrum Jülich zur GSI Darmstadt transportiert wurde.
Magnetische Box, mit der das vorpolarisierte Helium-3-Gas vom Forschungszentrum Jülich zur GSI Darmstadt transportiert wurde.
Quelle: FZJ, Pavel Fedorets

„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.“

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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]

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