Science
30.08.2018

Erfolg: CERN testet neuartigen kompakten Teilchenbeschleuniger

Der neue Beschleuniger ist viel kleiner als heutige, kilometerlange Maschinen und macht Teilchen auf wenigen Metern schnell.

Das Advanced Wakefield Experiment (AWAKE) am Teilchenbeschleuniger LHC  in Genf hat bewiesen, dass eine neuartige Form von Teilchenbeschleuniger funktioniert, wie nature berichtet. Im Gegensatz zu riesigen Maschinen wie dem LHC braucht dieser Wakefield-Accelerator, zu Deutsch Kielfeldbeschleuniger, statt mehrerer Kilometer nur wenige Meter, um Teilchen auf nutzbare Energien zu beschleunigen.

An Kielfeldbeschleunigern arbeiten Forscher auf der ganzen Welt seit einigen Jahren. Dass sie funktionieren, wurde ebenfalls schon demonstriert. Die CERN-Forscher haben in ihrem Experiment aber eine neue Spielart des Konzepts realisiert. Bei einem Kielfeldbeschleuniger werden in einem Plasma, im Fall von Awake ist das ionisiertes Rubidiumgas, Wellen erzeugt, auf denen die zu beschleunigenden Elektronen mitsurfen. Das funktioniert, weil die entstehenden starken elektrischen Felder die Elektronen mitreißen. In bisherigen Experimenten wurden diese Wellen mit Lasern oder Elektronenstrahlen erzeugt. Am LHC wurde ein Protonenstrahl des großen Beschleunigers verwendet, der zur Beschleunigung starke Magnete einsetzt.

Große Leistung

Mit diesem System konnte AWAKE Elektronen über eine Strecke von zehn Metern Elektronen auf zwei Gigaelektronenvolt (GeV) beschleunigen. Das ist im Vergleich zu den 13 Teraelektronenvolt (ein Teraelektronenvolt sind 1000 Gigaelektronenvolt) der Protonen des fast 30 Kilometer langen Beschleunigerrings am LHC nicht viel, die Fortscher glauben aber, dass eine größere Version von AWAKE ebenfalls in den Teraelektronenvoltbereich vorstoßen könnte. Elektronen auf solch hohe Energien zu bringen, ist heute nicht möglich.

Dass der Kielfeldbeschleuniger mit dem Protonenstrahl so gut funktioniert, ist für die Forscher ein großer Schritt. "Das ist eine große Leistung für uns. Es beweist, dass die Methode funktioniert, was bisher noch nicht vollbracht worden ist", sagt der Physiker Mathew Wing von AWAKE gegenüber Nature.

Erst der Anfang

Elektronen werden heute in Linearbeschleunigern auf hohe Energien gebracht. Diese unterliegen aber Beschränkungen aufgrund der erreichbaren Feldstärken, mit denen die Teilchen beschleunigt werden. Schon 2007 haben Forscher gezeigt, dass ein Kielfeldgenerator auf einem Meter die selbe Elektronenbeschleunigung erreicht wie ein Linearbeschleuniger auf drei Kilometern.

Diese Vorteile sollten es ermöglichen, wesentlich kleinere Beschleuniger zu bauen, die auch nicht auf so viel komplizierte Technologie wie etwa der LHC angewiesen sind und damit billiger realisierbar wären. Theoretisch sollte es möglich sein, mehrere Kielfeldbeschleuniger hintereinander zu schalten und die Elektronen damit nach und nach noch stärker zu beschleunigen. Das wurde aber noch nicht bewiesen und könnte sich als kompliziert erweisen.

Die AWAKE-Forscher glauben, dass sie Elektronen mit dem derzeitigen System auf bis zu 100 GeV beschleunigen können. Allerdings ist die Energie nicht alles. Für viele wissenschaftliche Experimente brauchen sehr einheitliche Teilchenstrahlen mit einer bestimmten Teilchendichte. In für das Jahr 2019 geplanten Experimenten wollen die Wissenschaftler die Qualität des Elektronenstrahls, den AWAKE produziert, verbessern. "Es gibt noch viele Probleme zu lösen, aber wir haben einen bedeutenden ersten Schritt gemacht", sagt Mark Hogan, ein Physiker der in Kalifornien an Kielfeldbeschleunigern forscht.