Superintensive Laserstrahlen

Teilchenbeschleunigung und Unruh-Strahlung

Seit einigen Jahren gibt es zunehmend Institute, die mit Laserstrahlen höchster Intensität experimentieren. Diese Strahlung könnte eine ganze Reihe von Anwendungsfeldern erschließen, wie die Beschleunigung oder gar die Erzeugung von Teilchen.

Große Beschleuniger sind das Handwerkzeug in der Kern- und Teilchenphysik. Doch ihre enorme Größe und die hohen Kosten lassen neue Konzepte für Beschleunigeranlagen interessant erscheinen. Vor kurzem konnte gezeigt werden, dass ultraintensive Laser Kernreaktion auslösen, und dass sie hochintensive Strahlen von Elektronen, Photonen, Protonen und schweren Ionen erzeugen können. Mit diesen Teilchenstrahlen lassen sich grundsätzlich medizinische Isotope herstellen, nukleare Transmutations- und Spallationsstudien durchführen und Fusionsreaktionen von schweren Ionen auslösen. Im Moment wird noch daran gearbeitet, medizinische Isotope in klinisch relevanten Mengen zu produzieren.

Gegenwärtig sind auch die hierfür notwendigen Laser noch groß und teuer. Es ist aber absehbar, dass innerhalb der nächsten Jahre Geräte gebaut werden können, die im Gegensatz zu herkömmlichen Beschleunigern kompakt sind, dabei aber die gleiche Intensität wie die großen Laser haben. Hier bieten sich für die physikalische Universitätsforschung aufregende neue Möglichkeiten.

Bei der Teilchenbeschleunigung per Laser handelt es sich um einen recht komplizierten plasmagesteuerten Prozess. Im Prinzip kann man sich vorstellen, dass Photonen auf die Elektronen und Ionen in einem Plasma einen Druck ausüben. Da die Elektronen viel leichter sind als die Ionen, bewegen sie sich zuerst und lassen die Ionen hinter sich zurück. So entsteht ein starkes elektrisches Feld, das letztendlich auch die Ionen beschleunigt.

Bei Laserintensitäten von ungefähr 5 · 10 ²⁰ W/cm ² werden die Elektronen auf Energien von ungefähr 200 MeV beschleunigt. Werden diese Elektronen in ein Material mit hoher Kernladungszahl hineingeschossen, so entstehen durch Bremsstrahlungsprozesse gerichtete, hochenergetische Gammastrahlen. Das ist eine der möglichen interessanten Anwendungen. Ein kompakter Laser könnte auf diese Weise eingesetzt werden, um Gepäckstücke nach versteckten Metallgegenständen zu durchleuchten. Darüber hinaus können diese Gammastrahlen gleichzeitig Neutronen durch photonukleare Reaktionen generieren. So ließe sich beispielsweise Sprengstoff mit hoher Empfindlichkeit aufspüren. Kompakte Hochintensitätslaser könnten somit ein wichtiges Hilfsmittel in der zukünftigen Sicherheitstechnik werden.

Bei zunehmender Laserintensität erwarten wir jedoch noch interessantere und seltsamere Dinge. Wird ein Laser auf Aluminium gerichtet, so entstehen bei Laserintensitäten von 10 ²¹ W/cm ² photoproduzierte Pionen. Steigert man die Intensität um weitere zwei oder drei Größenordnungen, so entstehen elektrische Felder bis zu 6 · 10 ¹⁴ V/m. Hierin ließen sich Elektronenenergie auf einer Stecke von nur etwa 10 µm auf eine Energie von 50 GeV beschleunigen. Das schafft der SLAC-Elektronenbeschleuniger in Stanford auf einer Länge von drei Kilometern. Anders ausgedrückt: Wenn sich die Skalierungsgesetze nicht dramatisch ändern – was man allerdings nicht weiß – könnte man einen Petaelektronenvolt-Beschleuniger, der mit konventioneller Beschleunigertechnologie die Dimension der Erde hätte, auf etwa einen Meter Länge realisieren. Was geschieht, wenn man die Laserintensität noch weiter erhöht?

Erreicht die Intensität 10 ²⁹ W/cm ², so können Energien der Elektronenmasse in einer Compton-Wellenlänge erzeugt werden, so dass Teilchen im Vakuum entstehen. Schließlich ließe sich bei sehr großen Laserintensitäten von 10 ³¹ W/cm ² Unruh-Strahlung erzeugen, die der Hawking-Strahlung vergleichbar ist. Sie entsteht in gewaltigen Gravitationsfeldern, beispielsweise am Horizont eines Schwarzen Lochs.

Heutige Laser haben bereits die stärksten in einem Labor gemessenen Magnetfelder von einigen zehn Megatesla und die größten Drücke im Bereich von mehreren hundert Giga-Bar erzeugt. Dieses Forschungsgebiet ist erst wenige Jahre alt und gewinnt jetzt erst wissenschaftliche Anerkennung, denn weltweit wird an einer Reihe von Petawatt-Lasern gebaut.

Der gegenwärtig intensivste Laser mit dem Namen Vulcan befindet sich im britischen Rutherford Appleton Laboratory. Er erzeugt eine Momentanleistung von etwa 1 PW, wobei in einem 400 fs langen Impuls 400 J erzeugt werden. Auf einer Festkörperoberfläche wurden damit schon 6 · 10 ²⁰ W/cm² nachgewiesen. Dies ist die höchste, heute experimentell erreichte Intensität.

Diese Laser können jedoch nur wenige Schüsse pro Tag abfeuern. Es gibt deshalb weltweit gegenwärtig etwa zehn Projekte, weitere Petawatt-Laser zu bauen. Davon werden an einigen Instituten auch neuere Ansätze verfolgt, vor allem, um zu höheren Repetitionsraten zu kommen. Beispielsweise wird an der Universität Jena ein diodengepumpter Laser mit dem Namen Polaris gebaut, der etwa 150 J in 150 fs, also ebenfalls 1 PW erreichen soll. Er soll aber alle zehn Sekunden einen Laserschuss abfeuern können, womit er die Lasersysteme vom Stil des Vulcan in der Durchschnittsleistung um viele Größenordnungen übertreffen würde.

Ken W.D. Ledingham, Univ. of Strathclyde, Glasgow
Roland Sauerbrey, Univ. Jena.

Quelle: Physik in unserer Zeit 1 / 2006
http://phiuz.pro-physik.de

Weitere Infos:

• www.clf.rl.ac.uk/Facilities/Index.htm  
• www.physik.uni-jena.de/qe/Forschung/F-Deutsch/Petawatt/FP-Petawatt.html