Um die grundlegende Natur unseres Universums zu verstehen, möchten Wissenschaftler Teilchenbeschleuniger bauen, die Elektronen und ihre Antimaterie-Gegenstücke (Positronen) auf extreme Energien bis in den Teraelektronenvoltbereich bringen. Mit konventionellen Technologien erfordert dies jedoch eine Maschine, die enorm groß (rund 32 Kilometer lang) und teuer ist. Um die Größe und Kosten dieser Maschinen zu reduzieren, muss die Beschleunigung der Teilchen erhöht werden – das ist die Energiemenge, die sie in einer vorgegebenen Strecke erhalten.
Hier könnte die Plasmaphysik einen dramatischen Einfluss haben: Eine Welle geladener Teilchen – eine Plasmawelle – kann diese Beschleunigung mittels ihrer elektrischen Felder liefern. In einem Laserplasmabeschleuniger werden intensive Laserpulse verwendet, um eine Plasmawelle mit elektrischen Feldern zu generieren, die tausende Male stärker sein kann als jene in konventionellen Teilchenbeschleunigern.
Das Team am BELLA-Center des Berkeley Laboratory verdoppelte kürzlich den früheren Weltrekord für die durch Laserplasmabeschleuniger produzierte Energie und erzeugte Elektronenstrahlen mit Energien bis zu 7,8 Gigaelektronenvolt in einem circa 20 Zentimeter langen Plasma. Mit konventioneller Technologie würde das eine Strecke von etwa 91 Metern erfordern.
Die Forscher erreichten diesen Fortschritt, indem sie der natürlichen Streuung des Laserpulses mit einem neuen Typ Plasmawellenleiter entgegenwirkten. Bei diesem Wellenleiter wird eine elektrische Entladung in einer mit Gas gefüllten Saphirröhre ausgelöst, um ein Plasma zu bilden. Ein Heizlaserpuls „bohrt“ einen Teil des Plasmas in der Mitte heraus, wodurch es weniger dicht wird und das Laserlicht fokussiert. Der Plasmakanal ist stark genug, um die gebündelten Laserpulse über die 20 Zentimeter Länge des Beschleunigers hinweg abgegrenzt zu halten.
„Der Heizlaserstrahl erlaubte uns, die Ausbreitung des Laserpulses zu kontrollieren“, sagte Dr. Anthony Gonsalves. „Die nächsten Experimente werden darauf abzielen, präzise Kontrolle über die Elektroneninjektion in die Plasmawelle zu gewinnen, um eine beispiellose Strahlqualität zu bekommen und mehrere Stufen zu verbinden und den Weg zu noch höheren Energien zu demonstrieren.“
Die nächste Generation von Elektron-Positron-Beschleunigern auf Teravoltenergien zu bringen, wird die Verbindung einer Reihe von Laserplasmabeschleunigern erfordern, wobei jede Stufe den Teilchen einen Energieschub liefert. Die Leistung des Berkeley Lab ist aufregend, weil 7,8 Gigaelektronenvolt etwa der Energie entspricht, mit der diese Stufen effizient arbeiten.
(THK)
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