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Interview zur Plasmabeschleunigung: »Der beste Weg zu hohen Energien«

Der Physiker Allen Caldwell über Elektronen, die auf Plasmawellen surfen, die Rätsel der starken Kernkraft und die Diskussion über den nächsten großen Teilchenbeschleuniger.
AWAKE-Plasmazelle am CERN

Teilchenbeschleuniger sind längst die größten Maschinen der Welt. Der gewaltigste von ihnen, der Large Hadron Collider (LHC) am Genfer Kernforschungszentrum CERN, umfasst stolze 27 Kilometer. Lange sah es so aus, als müssten derartige Maschinen noch größer werden, damit Physiker tiefer ins Innere der Materie vordringen können. Aber die Entwicklung so genannter Wakefield-Beschleuniger stellt dieses Paradigma zunehmend in Frage. Sie wären viel kleiner, aber ebenso leistungsfähig wie ihre riesigen Verwandten. »Spektrum.de« sprach mit Allen Caldwell, einem führenden Wissenschaftler des Forschungsgebiets, über die jüngsten Fortschritte.

Allen Caldwell
Allen Caldwell | Professor Dr. Allen Caldwell ist seit 2002 Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, wo er eine der Abteilungen für Experimentalphysik leitet. Er studierte Physik an der Rice University und promovierte an der University of Wisconsin. Von 1987 bis 2002 war er dann an der Columbia University, bevor er zum Max-Planck-Institut für Physik wechselte. Er ist Leiter der AWAKE-Kollaboration am CERN, die auf Basis der Kielfeld-Beschleunigung einen neuen Beschleunigertyp entwickelt.

Spektrum.de: Herr Professor Caldwell, im Fachmagazin »Nature« berichten Sie und Ihre Kollegen von einem Erfolg bei der »Plasmabeschleunigung«. Was hat es damit auf sich?

Allen Caldwell: Wir haben Elektronen in einer von uns entworfenen Dampfkammer auf eine Energie von zwei Gigaelektronvolt (GeV) beschleunigt – und das auf einer Strecke von gerade mal zehn Metern. Wir halten das für ein fantastisches Ergebnis.

Wieso?

In der Teilchenphysik beschleunigen wir subatomare Partikel seit Langem auf immer höhere Energien und bringen sie dann zur Kollision. Je höher die Energien, die wir erreichen, desto kleiner sind die Abstände, die wir auflösen. Man könnte auch sagen: Mit höheren Energien können wir immer tiefer in die Materie hineinschauen.

Der LHC bringt Protonen auf stolze 13 Billionen Elektronvolt beziehungsweise 13 TeV (siehe Kasten), dadurch werden Prozesse sichtbar, die sich in Abständen von 10-18 Metern abspielen. Das ist doch schon ziemlich gut.

Der LHC ist allerdings eine 27  Kilometer große Maschine. Mit dem AWAKE-Projekt wollen wir zeigen, dass es auch kleiner und billiger geht.

Physiker geben die Energie von Teilchen gerne in der Maßeinheit Elektronvolt (eV) an. Ein Elektron, das von einer ein Volt großen Spannung beschleunigt wurde, hat eine Energie von einem eV. Die Beschleuniger der modernen Teilchenphysik bringen Atomkerne und Elektronen auf Milliarden oder gar Billionen Elektronvolt, wodurch sich die Partikel fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Für derart große Zahlen verwenden Wissenschaftler für gewöhnlich die Dezimalpräfixe des SI-Einheitensystems. Eine Milliarde Elektrovolt wird darin zu Gigaelektronvolt (GeV), eine Billion Elektronvolt zu Teraelektronvolt (TeV).

Wie wollen Sie das schaffen?

Wir beschleunigen Elektronen auf einer geraden Linie, und zwar in einem Dampfbehälter, der momentan zehn Meter lang ist.

Aber Linearbeschleuniger gibt es in der Physik doch schon lange.

Das sind andere Maschinen. Sie schubsen Teilchen mit starken elektrischen Feldern an. Aktuell kann man dafür eine Spannung von 30 Millionen Volt (Megavolt oder MV) pro Meter nutzen. Damit benötigen sie aber mindestens 30 Kilometer, um eine Energie von einigen TeV zu erreichen. Wenn wir Partikel mit dieser Energie aufeinanderschießen, zeigen sich eventuell neue physikalische Phänomene.

Was macht Ihr Beschleuniger anders?

Wir erzeugen innerhalb unserer Dampfröhre ein Plasma, wir trennen also Elektronen von ihren Atomkernen. Dadurch können extrem starke elektrische Felder entstehen, die weit über 100 MV pro Meter hinausgehen. Ein Team vom Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) hat vor einiger Zeit bewiesen, dass man mit diesem Konzept letztlich 100 Milliarden Volt pro Meter erreichen kann, also einen 1000-mal höheren Wert als mit der klassischen Technologie.

»Wir entnehmen Energie aus einem System und stecken sie in ein anderes – und schaffen damit einen wesentlich stärkeren Beschleuniger«(Allen Caldwell)

Damit könnten also im Prinzip bereits zehn Meter ausreichen, um die Teraelektronvolt-Schwelle zu nehmen. Weltweit arbeiten viele Forschergruppen an Plasmabeschleunigern und präsentieren dabei auch immer wieder Erfolge.

Bisher gingen Gruppen einen anderen Weg als wir: Sie wollen mit einem Laser eine kleine »Blase« im Dampf erzeugen, in der Elektronen aus den Schalen der Atome geschlagen werden. Einmal in der Blase gefangen, folgen die Elektronen dem Laser und spüren eine enorme Beschleunigung. Das funktioniert jedoch nur über sehr kurze Distanzen von wenigen Zentimetern, da die Laserenergie nach dieser kurzen Strecke bereits von den Gasatomen absorbiert wurde.

Was machen Sie bei AWAKE anders?

Wir nutzen unseren Laser nur dazu, um das jeweils äußerste Elektron der Rubidiumatome in der Dampfröhre zu entfernen. Die eigentliche Arbeit übernehmen dann Protonen, also positiv geladene Wasserstoffatomkerne. Sie können sich problemlos einen Weg durch die gesamte, derart ionisierte Kammer bahnen. In ihrer Kielwelle (englisch: wake) werden dann die Elektronen beschleunigt.

Woher kommen denn die Protonen?

Wir nehmen sie aus einer der Vorstufen des LHC, dem SPS. Das ist ein kleinerer, ein knapp sieben Kilometer großer Kreisbeschleuniger, der 450 GeV erreicht. Die Energie der Protonen darin ist groß genug, um den Dampf in unserer Zehn-Meter-Kammer zu durchstoßen, ohne dabei viel Energie zu verlieren.

Prinzip von AWAKE
Surfen auf einer Plasmawelle | Im AWAKE-Experiment am CERN fliegen Protonen (kegelförmige Strukturen) durch eine Dampfkammer. Die positiv geladenen Atomkerne ionisieren das Gas in ihrer unmittelbaren Umgebung (blaue Scheiben). Dahinter fliegende Elektronen (kleine Kugeln) werden mitgerissen und auf hohe Energien beschleunigt.

Sie nehmen also Protonen und lassen sie Elektronen hinter sich herziehen. Bringt das wirklich einen Vorteil?

Ja, das ist der beste Weg, um Elektronen auf hohe Energien zu bringen. Man kann sich das Ganze wie einen Transformator vorstellen. Wir entnehmen Energie aus einem System und stecken sie in ein anderes – und schaffen damit einen wesentlich stärkeren Beschleuniger.

Was wollen Sie dann mit den so beschleunigten Elektronen anstellen?

Wir könnten sie zum Beispiel mit den Protonen kollidieren lassen, die im LHC kreisen. Solche Elektron-Proton-Kollisionen haben wir zum Beispiel zwischen 1992 und 2007 am deutschen HERA-Beschleuniger systematisch beobachtet. Damals hat man 27 GeV-Elektronen auf 921 GeV-Protonen gejagt.

Und mit AWAKE würden Sie viel höhere Energien erreichen?

Wir könnten mit den Elektronen mehrere TeV erreichen. Wenn wir sie mit LHC-Protonen kollidieren lassen, würden wir deren Begegnungen mit Protonen auf Zeitskalen untersuchen, die 1000-fach feiner sind als bei HERA. Wir denken, dass wir damit ganz neue Einsichten in die Natur stark wechselwirkender Materie gewinnen könnten.

Ist die starke Wechselwirkung, die Quarks im Inneren von Protonen gefangen hält, nicht schon sehr gut verstanden?

Nein, eigentlich nicht. Es gibt immer noch große Rätsel. Zum Beispiel: Wenn wir Protonen aufeinanderschießen und nach und nach die Energien der Kollisionen erhöhen, sieht es so aus, als würde der Querschnitt des Protons zunehmen. Das ist seit 50 Jahren bekannt, aber niemand weiß, was dahintersteckt. Das ist etwas, was wir mit einem Elektron-Proton-Collider eingehend studieren könnten. Vielleicht gelingt es uns so, dieses Rätsel zu lösen.

Könnte man mit einem Proton-Elektron-Collider auch neue Elementarteilchen entdecken, so wie es dem LHC mit Higgs-Teilchen gelungen ist?

Das ist denkbar. Vor allem könnte man nach einer speziellen Art von Partikeln Ausschau halten, die am LHC nicht so gut zu sehen wären. Diese so genannten Leptoquarks würden sowohl Elektronen als auch Quarks ähneln. Ein Elektron-Proton-Collider wäre ein idealer Ort, um nach ihnen zu suchen, da dort Elektronen direkt mit Quarks zusammenstoßen, wobei Leptoquarks – sofern es sie wirklich gibt – entstehen müssten.

LHC-Beschleuniger
Large Hadron Collider | Der LHC-Beschleuniger am CERN besteht aus einer 27 Kilometer langen Vakuumröhre, die in einem Kreistunnel nördlich von Genf liegt. Die Maschine jagt Protonen fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander.

Wie wahrscheinlich ist die Existenz von Leptoquarks denn? Oder anders gefragt: Ist die Aussicht auf diese hypothetischen Partikel genug, um einen neuen Beschleunigertyp zu rechtfertigen?

Das hängt davon ab, wie wettfreudig Sie sind. Für mich ist das Verständnis des Protonenquerschnitts sehr faszinierend und grundlegend. Ob wir auch Leptoquarks finden würden? Wenn es funktioniert, ist das großartig, sicher nobelpreiswürdig. Aber ich würde sagen, die Wahrscheinlichkeit für solch eine Entdeckung ist eher gering.

Wie stehen die Chancen, dass die protonengetriebene Wakefield-Beschleunigung in einigen Jahren weit genug entwickelt sein wird, um derartige Suchen aufzunehmen?

Ich bin zuversichtlich, aber wir sind noch nicht am Ende des Weges. In den zehn Jahren, seit es die Idee gibt, haben wir schon viel erreicht: Wir haben zunächst eine besondere Plasmazelle entwickelt, in der das Plasma sehr gleichmäßig ist. Dann haben wir mehrere Prototypen gebaut. Vergangenes Jahr haben wir dann gezeigt, dass wir die Protonenbündel aus dem SPS in kürzere Teile zerschneiden und damit eine Plasmawelle antreiben können. Und nun haben wir bewiesen, dass sich damit Elektronen auf zwei GeV beschleunigen lassen.

»Wenn Wissenschaftler zusammenkommen, verschwindet die Nationalität«(Allen Caldwell)

Was fehlt nun noch bis zu einer vollwertigen Beschleunigertechnologie?

Am Ende muss man eine wirklich große Anzahl von Elektronen zu hohen Energien bringen. Wir haben es bisher nur mit einer deutlich kleineren Menge getestet. Deshalb wollen wir eine weitere Runde von Experimenten am CERN durchführen.

Ist es ein Problem, das Plasma zu kontrollieren? In der Kernfusionsforschung ist das ja eine der zentralen Herausforderungen.

Es gibt verschiedene Arten von Plasma. Unseres ist ein »kaltes« Plasma. Die Fusionsleute hingegen verwenden ein sehr heißes Plasma mit sehr schnell bewegten Teilchen. Sie wollen ja die elektrische Abstoßung der Atomkerne überwinden, um sie miteinander zu verschmelzen. Das ist sehr kompliziert, weil das Plasma über eine lange Zeit aufrechterhalten werden muss. Unser Plasma löst sich innerhalb einer Mikrosekunde auf, was für unsere Belange aber ausreicht.

In Fachaufsätzen über die Technologie kann man nachlesen, dass dabei eine bestimmte Form von Instabilität auftritt.

Ja, wenn die Ladungsverteilung in der Kielwelle völlig symmetrisch wäre, würde nichts passieren. Aber das Protonenbündel und das Plasma sind nicht völlig einheitlich. Erst dadurch kann ein elektrisches Feld entstehen. Es bringt die Teilchen in Bewegung, die dann ein eigenes Feld erzeugen und auf andere Teilchen zurückwirken. Dieser Feedback-Mechanismus ist wesentlich für unsere Art von Kielfeld-Beschleunigung. Physikalisch gesehen fällt er aber in die Kategorie der Instabilitäten.

Aber das macht nichts?

Tatsächlich ist das eine Sache, nach der Wissenschaftler von außerhalb unserer Kollaboration auch immer wieder fragen. Aber in diesem Fall ist das Wort Instabilität irreführend. Wir können diesen Mechanismus gezielt auslösen, und wir wissen genau, wie er sich entwickelt. Und er sieht jedes Mal gleich aus.

Wie reagieren Ihre Kollegen generell auf das Wakefield-Konzept?

Sie reagieren positiv, aber Sie sagen, dass die Beweislast bei uns liegt. Wir müssen zeigen, dass der Ansatz funktioniert. Es ist aus meiner Sicht völlig okay, dass sie harte Fragen stellen. Schließlich funktionieren die konventionellen Beschleuniger sehr gut.

Welcher Beschleunigertyp wird Ihrer Meinung nach das nächste große Teilchenphysik-Projekt sein?

Es könnte ein linearer Elektron-Positron-Beschleuniger wie der International Linear Collider (ILC) sein. Dieser soll zwischen 30 und 50 Kilometer lang werden. Wir erwarten, dass Japan bald signalisiert, ob es den ILC bauen will. In diesem Fall wird wohl auch Europa mitziehen. Aber es gibt auch den Future Circular Collider (FCC), der vom CERN als LHC-Nachfolger verfolgt wird und einen Umfang von 100 Kilometern haben könnte.

Der FCC hätte also die Form eines Rings und würde mit Protonen arbeiten.

Ja, Protonen kann man bei jedem Umlauf weiterbeschleunigen. Die maximale Energie wird durch die Magnetstärke begrenzt. Je größer der Radius des Beschleunigers, desto größer die Maximalenergie. Bei Elektronen funktioniert das nicht, weil sie viel mehr Energie verlieren, wenn man sie umlenkt. Bei Protonen-Collidern werden jedoch irgendwann die Magnete zum Problem: Am LHC nutzt man bereits Supraleiter, um die Magnetfelder zu erzeugen. Für eine noch größere Maschine dieses Typs bräuchte man Magnete mit einer viel höheren Feldstärke. Die müssen aber erst noch entwickelt werden.

China denkt auch über den Bau eines riesigen Ringcolliders nach. Einige Ihrer Kollegen haben Bedenken, ein so wichtiges Projekt in einem Staat zu begründen, der keine Demokratie ist. Wie sehen Sie das?

Wenn Wissenschaftler zusammenkommen, verschwindet die Nationalität. Beispielsweise haben sich bereits vor dem Fall des Eisernen Vorhangs westliche Physiker regelmäßig mit sowjetischen Kollegen ausgetauscht. Jetzt wollen die Chinesen ein internationales Teilchenphysik-Labor bauen, und damit Gastgeber für Forscher aus aller Welt sein. Das müssen sie aber erst lernen. Ich finde, diese Möglichkeit sollte man ihnen geben. Und wenn sie gleich auch einen 100-Kilometer-Beschleuniger bauen? Dann ist das gut für die Wissenschaft, würde ich sagen. Wohl auch, weil man nicht weiß, ob es solch ein Projekt sonst geben würde.

Glauben Sie denn, dass ein deutlich kleinerer Wakefield-Beschleuniger eine vollwertige Alternative zu solch einer riesigen Maschine sein könnte?

So wie wir es jetzt machen, wäre er eher eine Ergänzung zu bestehenden Protonencollidern. Aber in der Theorie könnten wir die gleichen Energien wie beim ILC erreichen, auch wenn die Datenraten viel kleiner wären.

Aber auf lange Sicht könnte sich das ändern?

Ja, auf lange Sicht. Unsere Art der Plasmabeschleunigung ist ja nicht die einzige. Tatsächlich begannen die ganzen Anstrengungen in dieser Richtung mit der Idee, die Plasmabeschleunigung mit Hilfe von Lasern zu steuern. Und wie erwähnt gibt es Wissenschaftler, die diese Idee noch immer intensiv verfolgen. Je nachdem, wie sie vorankommen, könnte das der richtige Weg sein.

Ist das realistischer als die Pläne zum Bau eines Ringbeschleunigers auf dem Mond oder im Weltraum, den manche Menschen als das ultimative Ziel der Beschleunigerphysik sehen?

Ja, das denke ich. Es gibt sogar eine Gruppe von Laserwissenschaftlern, die an einem Projekt namens IZEST (International Zetta-ExaWatt Science and Technology) arbeiten. Sie wollen wirklich hochenergetische Laser entwickeln, die auch mit hoher Frequenz pulsieren könnten. Das Ziel davon sind Beschleuniger mit nicht nur 100, sondern 1000 TeV! Ob sie das schaffen? Wir werden sehen.

35/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 35/2018

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