Protonen formen Plasmawelle

Erstmals ist es gelungen, mit einem Protonen­strahl eine wellen­förmiges Plasma­feld zu erzeugen. Künftig, so der Plan der beteiligten Wissen­schaftler, sollen Elektronen auf einer Plasma­welle beschleunigt werden. Dieser Ansatz könnte zu einem völlig neuen Typ von Teilchen­beschleunigern führen. Denn schon jetzt ist abzusehen, dass die Aussage­kraft bestehender Beschleuniger­experimente limitiert ist. Viele offene Fragen zum Aufbau der Materie oder dem Ursprung des Universums lassen sich nur beantworten, wenn Teilchen bei noch höheren Energien kollidieren. Aktueller Rekord­halter ist der Large Hadron Collider LHC bei Genf. Mit einem Umfang von 27 Kilometer be­schleunigt er Protonen auf eine Energie von bis zu 13 TeV. Der Rekord für Elektronen liegt bei etwa 100 GeV.

Um noch höhere Energien zu erreichen, ins­besondere für Elektronen, müssten jedoch größere Anlagen gebaut werden. Eine kleinere, kosten­günstigere Alternative bietet das nun völlig neue Konzept: Es beruht auf der Beobachtung, dass ein Plasma starke elek­trische Felder bilden und aufrecht­erhalten kann. Dies macht sich das AWAKE-Projekt zunutze. „Verein­facht gesagt, erzeugt ein Protonen­strahl Wellen im Plasma – ähnlich der Kiel­welle eines schnelles Motor­bootes im Wasser“, erklärt Allen Caldwell, Sprecher von AWAKE und Direktor am Max-Planck-Institut für Physik. „Gibt man Elek­tronen dazu, werden diese im oszil­lierenden Plasma­feld beschleunigt.“

Das Prinzip ist nicht neu, doch bisher konnten solche Plasma­modulationen nur mit Lasern oder Elektronen erreicht werden. „Mit AWAKE haben wir erstmals gezeigt, dass wir diesen Effekt auch mit Protonen erzielen können“, sagt Caldwell. Der Vorteil von Protonen: Protonen­bündel trans­portieren wesentlich mehr Energie. Das bedeutet, dass Elektronen sich über eine längere Strecke beschleunigen und dabei Energie gewinnen können.

„Damit haben ein neues Zeitalter für die Entwicklung inno­vativer Beschleuniger­technologien eingeläutet“, ist sich Caldwell sicher. Das AWAKE-Experiment wurde am Kern­forschungs­zentrum CERN eingerichtet, wo ein Protonen­strahl aus einem früheren Experiment genutzt werden kann. Der aktuelle Versuch ist das Ergebnis einer drei­jährigen, intensiven Entwicklungs­arbeit. Bereits Anfang dieses Jahres war die Plasma­zelle installiert worden. Für das Jahr 2017 ist vorgesehen, das Zusammen­spiel zwischen Protonen­strahl und Plasmafeld genauer zu untersuchen. Danach plant der AWAKE-Forschungs­verbund erste Versuche, Elektronen auf der Plasma­welle zu beschleunigen. Bis Ende 2018, dem nächsten längeren Stopp des LHC, sollen Be­schleunigungs­­felder im Bereich von wenigen GeV pro Meter erzeugt werden.

MPIP / JOL