Robert Klatt
Ein kompakter Teilchenbeschleuniger hat dank Aluminium-Nanopartikeln, die die Ladungsdichte im Heliumgas erhöhen, einen neuen Energierekord aufgestellt. Eine theoretische oder experimentelle Erklärung für die dabei ablaufenden Prozesse gibt es bisher nicht.
Austin (U.S.A.). Der Teilchenbeschleuniger der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) und ähnliche Anlagen sind bisher oft mehrere Kilometer lang. Die Wissenschaft arbeitet aber auch an deutlich kompakteren Teilchenbeschleunigern auf Basis der Kielwellentechnik, bei denen starke Laserpulse durch gasförmiges Plasma geschossen werden. Dabei entsteht ein kielwellenförmiges elektrisches Feld, das die im Plasma enthaltenen Elektronen beschleunigt. Der bisherige Energierekord eines Teilchenbeschleunigers mit Plasma-Kielwellen-Feld lag bei etwa acht Gigaelektronenvolt auf 20 Zentimeter.
Forscher der University of Texas at Austin (UT) um Constantin Aniculaesei haben im Fachmagazin Matter and Radiation at Extremes nun einen Laser-Beschleuniger vorgestellt, mit dem Elektronen auf bis zu zehn Gigaelektronenvolt beschleunigt werden können. Dies ist möglich, weil der neue Teilchenbeschleuniger neben Elektronen aus dem Plasma aus Heliumgas auch Nanopartikel nutzt.
In der zehn Zentimeter langen, gasgefüllten Beschleunigerkammer befindet sich eine kleine Aluminiumplatte. Diese wird unmittelbar vor der Beschleunigungsphase von einem zweiten Laser beleuchtet. Wie Bjorn Manuel Hegelich erklärt, werden dadurch Aluminium-Nanopartikel freigesetzt, die sich mit dem Helium in der Kammer vermischen. Wird diese Mischung anschließend von den 135 Femtosekunden dauernden Impulsen des Petawatt-Beschleunigerlasers getroffen, entsteht aus dem Helium ein Plasma, und gleichzeitig werden die Aluminium-Nanopartikel ionisiert.
„Die Nanopartikel geben ihre Elektronen genau zur richtigen Zeit am richtigen Ort frei. Wir bekommen so mehr Elektronen genau dann in die Kielwelle, wenn wir sie brauchen.“
Bei Kontrollexperimenten ohne den Einsatz der Nanopartikel erzielte der Teilchenbeschleuniger Energiewerte von etwa zwei Gigaelektronenvolt. In Kombination mit den Aluminium-Nanopartikeln konnte der Beschleuniger die Elektronen auf über zehn Gigaelektronenvolt beschleunigen, und das auf einer Distanz von lediglich zehn Zentimetern.
Der Mini-Teilchenbeschleuniger hat damit einen neuen Weltrekord aufgestellt. Ähnliche hohe Energien konnten zuvor nur zwei deutlich größere Teilchenbeschleuniger in den U.S.A. erzeugen, die beide über drei Kilometer lang sein. Die genauen Mechanismen, durch welche die Nanopartikel solch hohe Energien ermöglichen, konnten die Forscher laut Aniculaesei bisher nicht erklären.
„Zurzeit haben wir kein befriedigendes theoretisches Modell oder eine experimentelle Erklärung dafür, dass so hohe Elektronenenergien erzeugt werden. Wir untersuchen aktuell mehrere theoretische Szenarien.“
Matter and Radiation at Extremes, doi: 10.1063/5.0161687
