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Hochenergiephysik: Im Sog der Plasmawelle

Eine neue Technik benötigt nur wenige Zentimeter, um Elektronen und Positronen auf Geschwindigkeiten zu bringen, die sie sonst nur in großen Teilchenbeschleunigern erreichen.
ElektronenbündelLaden...

In gigantischen Anlagen schießen Teilchenphysiker Atombausteine aufeinander und fahnden in den Splittern nach den Bausteinen der Materie. Für die dafür nötigen Energien brauchen die Forscher allerdings immer längere Rennstrecken.

Dagegen passt ein so genannter Kielfeldbeschleuniger fast auf einen Labortisch. Ein US-Forscherteam vom Lawrence Berkeley National Laboratory um Wim Leemans berichtete im Dezember 2014 von Teilchenenergien im Bereich von mehr als vier Gigaelektronenvolt – gewonnen auf einer Strecke von nur neun Zentimetern. Die Energie bei diesem neuen Typ von Beschleunigern ist zwar noch 1000-mal geringer als jene, welche die größten herkömmlichen Apparate erreichen, etwa der Large Hadron Collider (LHC) bei Genf. Aber dieser braucht für vergleichbare Geschwindigkeiten fast 100 Meter. Die letztlich deutlich höheren Energien erreicht der LHC, weil die Teilchen einen 27 Kilometer langen Weg mehrmals im Kreis durchlaufen und Elektromagnete sie dabei immer wieder anstoßen.

Der Kielfeldbeschleuniger hingegen bringt die Teilchen mit einem extrem intensiven Laserblitz auf Tempo. Der Laserstrahl wird dazu in ein Plasma geschossen. Das kann man sich als ein extrem heißes Gemisch aus frei beweglichen Ionen und Elektronen vorstellen. Fegt nun das Laserlicht durch das Plasma, verdrängt sein elektromagnetisches Feld die leichten Elektronen entlang seines Wegs. Die deutlich schwereren und damit trägeren Ionen verharren hingegen überwiegend an ihrem Ort. Das Licht hinterlässt also eine positiv geladene Spur. Diese zieht die beiseitegedrängten Elektronen augenblicklich wieder an und verdichtet sie. Direkt hinter dem Laserpuls folgt ein winziger Bereich, in dem enorm hohe Feldstärken zwischen den Teilchen des Plasmas herrschen. Elektronen in dieser winzigen Blase werden heftig mitgezogen: Sie surfen gewissermaßen auf der Kielwelle des Laserblitzes und beschleunigen dadurch enorm. ...

November 2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft November 2015

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