Plasma-Surfer schrumpfen Teilchenbeschleuniger auf 30 Zentimeter

Der Teilchenbeschleuniger am CERN ist majestätische 27 Kilometer lang, während China erst kürzlich stolz den Bau eines eigenen Supercolliders mit einer Länge von 79 Kilometern verkündete. Der neueste Teilchenbeschleuniger der USA dagegen kommt lediglich auf das bescheidene Maß von 30 Zentimetern.

Was der neuen Maschine des SLAC National Accelerator Laboratory an Länge fehlt, macht sie durch eine Plasma-Masse in ihrem Inneren wett. Damit können Teilchen bis zu 500 mal schneller beschleunigt werden, als mit konventionellen Methoden. Die Testergebnisse, die Laborleiter Michael Litos und sein Team kürzlich in Nature veröffentlichten, zeigen, dass es den Forschern im kalifornischen Menlo Park tatsächlich gelungen ist, Elektronen in ihrer kompakten Kiste nahezu auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

„Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, wenn du einen Hochenergie-Teilchenbeschleuniger bauen willst", erzählte mir Litos. Die eine Strategie besteht darin, Systeme zu bauen, die noch größer als CERNs Large Hadron Collider sind. „Oder du nutzt die Technologie der Kielfeld-Beschleunigung und baust eine vergleichbare Maschine, nur in einem deutlich kleineren physikalischen Maßstab", erklärte er mir. „Damit kannst du einen 50 Kilometer langen Beschleuniger auf fünf Kilometer schrumpfen."

Der neueste Mini-Teilchenbeschleuniger des SLAC Labors kann selbstverständlich nicht zur weiteren Erforschung des Higgs Bosons verwendet werden. Die kompakte wird keine der bedeutenden Forschungsprojekte erledigen, die am CERN stattfinden, weshalb der Large Hadron Collider auch weiterhin den Titel des nützlichsten Teilchenbeschleunigers der Welt für sich beanspruchen kann. Allerdings steckt in der SLAC-Anlage sehr wohl die grundlegende Technologie, die die nächste Generation dieser Geräte antreiben wird. Es ist ein konzeptioneller Beleg, dass wir für die Teilchenbeschleuniger der Zukunft nicht mehr zwangsläufig riesige unterirdische Tunnelanlagen errichten werden müssen.

Im Vergleich zu konventionellen Teilchenbeschleunigern soll die neueste Anlage aus dem SLAC-Labor auch deutlich weniger Energie verbrauchen. Da das Rohr mit Plasma gefüllt wird (mit freundlicher Hilfe eines speziellen Ofens, entwickelt von den Physikerkollegen der UCLA), wird hier Energie von dem zuvorderst losgeschossenen Elektronenpaket zum nachfolgenden Elektronenbündel weitergegeben. Durch jede dieser Übertragungen werden die anhängenden Elektronen immer weiter beschleunigt.

„Wir senden die Pakete unmittelbar nacheinander in die Röhre. Das erste gibt seine Energie an das zweite Bündel weiter, und wir können diese dann innerhalb einer sehr viel kürzeren Strecke beschleunigen", sagte Litos. „Wenn du diesen Vorgang sehr viele Male wiederholst, dann kannst du das Prinzip entsprechend auf den Maßstab eines großflächig anwendbaren Collider skalieren."

Litos versucht nun, die Entstehung des Plasmas in der Röhre zu vereinfachen. Dafür füllt er die Röhre mit Wasserstoff und regt das Plasma anschließend mit Hilfe eines Lasers kurz an, sodass sich die Teilchen ionisieren. Diese Technik soll die Grundlage bieten, um anschließend auch in größeren Beschleunigeranlagen verbaut zu werden. Klingt nach einem durchdachten Plan, den Lito und seine Kollegen hier verfolgen:

„Momentan betreiben wir Grundlagenforschung, aber wir haken kontinuierlich Dinge von unserer Liste ab. Es ist uns gelungen einen Laserbeam mit großem Energieschub auf kurzer Distanz zu erzeugen. Wir können ein Cluster von Milliarden Elektronen beschleunigen, und zwar auch mit einer geringen Energieausbreitung."

Auch wenn der Weg zu den geschrumpften Teilchenbeschleunigern der Zukunft noch weit ist, so wird die grundlegende Technik doch immer besser. In einem Begleitartikel, der zu den Messergebnissen veröffentlicht wurde, ziehen die beiden texanischen Wissenschaftler Mike Downer und Rafal Zgadzaj ein enthusiastisches Fazit der aktuellen Entwicklung: „Es ist gelungen, eine der größten Hürden bei der Entwicklung eines kleinen, bezahlbaren Teilchenbeschleunigers zu überwinden. [Die Forscher] haben der Community der Plasma-Surfer allen Grund gegeben, um weiter vorzupreschen."