Protonen erreichen in einem neuen Laserexperiment Energien von 132 Megaelektronenvolt und bewegen sich damit mit einem beträchtlichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit. Als Zielmaterial dient nur wenige Nanometer dünnes Graphen. Entscheidend ist ein ungewöhnlicher Beschleunigungsmechanismus, bei dem die Teilchen auf einer wandernden elektrischen Welle weiter Energie gewinnen.
Konventionelle Teilchenbeschleuniger benötigen häufig lange Anlagen aus Hochfrequenzresonatoren und Magneten. Laserbeschleunigung verfolgt einen anderen Weg. Ein sehr intensiver Lichtpuls trifft auf ein dünnes Material und erzeugt dort ein Plasma aus freien Elektronen und Ionen. Innerhalb dieses Plasmas können elektrische Felder entstehen, die um Größenordnungen stärker sind als die Felder klassischer Beschleunigerstrukturen. Theoretisch könnten dadurch hohe Teilchenenergien auf sehr kurzen Strecken erreicht werden. Praktisch ist die Kontrolle schwierig. Besonders dünne Targets liefern günstige Bedingungen, können aber bereits durch schwache Vorpulse des Lasers zerstört werden, bevor der eigentliche Hauptpuls eintrifft.
Graphen bietet dafür eine ungewöhnliche Kombination. Eine einzelne Lage besteht aus nur einer Atomschicht Kohlenstoff und ist dennoch mechanisch bemerkenswert stabil. Für das Experiment wurden mehrere Lagen zu großflächig freitragenden Targets kombiniert. Die gesamte Dicke kann nur wenige Nanometer betragen. Damit ist das Material dünner als viele konventionelle Folien, bleibt aber über die benötigte Fläche ausreichend intakt. Der entscheidende Fortschritt besteht allerdings nicht allein in der Folie. Die Forscher veränderten die Laserbedingungen so, dass sich im entstehenden Plasma eine fortschreitende elektrostatische Welle bildet.
Die in Progress of Theoretical and Experimental Physics veröffentlichte Studie verwendet den LFEX-Laser der University of Osaka. Der Puls dauert ungefähr 1,5 Pikosekunden und besitzt eine Intensität von etwa 10^19 Watt pro Quadratzentimeter. Damit liegt er in einem anderen Betriebsbereich als viele extrem kurze Femtosekundenexperimente. Unter optimierten Bedingungen registrierten die Forscher Protonen mit bis zu 132 Megaelektronenvolt. Für lasergetriebene Protonenquellen mit einem solchen Langpuls ist das ein außergewöhnlich hoher Wert.
Simulationen zeigen, dass der Strahlungsdruck des Lasers das Plasma langsam verschiebt. Dabei bildet sich eine wandernde elektrostatische Welle. Protonen können in ihrem elektrischen Feld weiter beschleunigt werden, solange ihre Bewegung passend zur Welle bleibt. Die Autoren vergleichen den Mechanismus deshalb mit Surfen. Der Vergleich ist anschaulich, aber physikalisch begrenzt. Die Teilchen gleiten nicht auf einer materiellen Oberfläche. Sie bewegen sich in einem elektrischen Potential, das sich durch das Plasma fortpflanzt. Besonders wichtig ist, dass die Beschleunigung länger als eine Pikosekunde fortgesetzt werden kann. Bei den extremen Feldstärken genügt selbst diese winzige Zeitspanne für einen erheblichen Energiegewinn.
Die energiereichsten Teilchen sind selten. Der verwendete CR-39-Detektor registriert einzelne Ionen als mikroskopisch kleine Spuren. Nach chemischer Behandlung entstehen winzige Vertiefungen, deren Größe von Teilchenart und Energie abhängt. In den Stapeln aus mehreren Detektorschichten hinterlassen Protonen unterschiedlicher Energie ihre Signale in verschiedenen Tiefen. Für die höchste Energiestufe mussten Millionen Mikroskopbilder ausgewertet werden. Ein neuronales Netz half dabei, passende kleine Spuren vom Hintergrund zu unterscheiden. Die Studie berichtet für die 132-MeV-Signale eine statistische Signifikanz deutlich oberhalb des gemessenen Hintergrunds. Maschinelles Lernen erzeugt hier also nicht die Teilchenenergie, sondern unterstützt die Detektorauswertung.
Bei solchen Energien reicht die klassische Mechanik für eine genaue Geschwindigkeitsberechnung nicht mehr aus. Relativistische Effekte werden relevant. Ein Proton mit 132 Megaelektronenvolt bewegt sich bereits mit knapp der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit. Das klingt nach einer unmittelbaren Annäherung an die kosmische Geschwindigkeitsgrenze, täuscht aber über die Energieskala hinweg. Je näher ein Teilchen der Lichtgeschwindigkeit kommt, desto stärker wächst die zusätzlich benötigte Energie. Eine Verdopplung der Energie führt deshalb in diesem Bereich nicht zu einer Verdopplung der Geschwindigkeit. Für Beschleuniger ist die Teilchenenergie meist die wichtigere technische Kennzahl.
Protonen mit Energien von ungefähr 100 bis mehr als 200 Megaelektronenvolt werden unter anderem in der Strahlentherapie eingesetzt. Medizinische Anlagen nutzen heute große konventionelle Beschleuniger, die zuverlässig hohe Strahlqualität liefern. Laserquellen könnten langfristig deutlich kompakter werden, falls Teilchenenergie, Intensität und Wiederholbarkeit ausreichend kontrolliert werden können. Ein einzelnes Hochenergieereignis genügt dafür nicht. Patientenbehandlung erfordert eine präzise Dosis, reproduzierbare Energieverteilungen und hohe Zuverlässigkeit. Die neue Arbeit löst diese Anforderungen noch nicht. Sie erweitert vor allem die experimentell erreichbare Energie in einem bestimmten Laserregime.
Ultradünne Targets sind attraktiv, weil der Laser einen großen Teil des Materials stark beeinflussen kann. Gleichzeitig werden sie bei steigender Leistung immer empfindlicher gegenüber Vorpulsen. Großflächig freitragendes Graphen könnte hier einen besonderen Arbeitsbereich eröffnen. Frühere Simulationen derselben Forschungsrichtung deuten darauf hin, dass mit weiter verbesserten Laserbedingungen deutlich höhere Energien möglich sein könnten. Solche Prognosen sind jedoch von den aktuellen 132 MeV zu trennen. Das jetzt dokumentierte Ergebnis ist experimentell. Zukünftige Energien von mehreren hundert Megaelektronenvolt bleiben ein Entwicklungsziel. Der wesentliche Fortschritt besteht darin, dass ein atomar dünnes Material einen langen Hochleistungspuls übersteht und dabei einen Beschleunigungsmechanismus ermöglicht, der die Protonen weit über die zuvor typische Energieskala trägt.
Progress of Theoretical and Experimental Physics, Proton Surfing Acceleration via Propagating Electrostatic Waves Induced by Intense Laser Irradiation on Large-Area Suspended Graphene; doi:10.1093/ptep/ptag130
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