Nur 30 Zentimeter

Kleinster Teilchenbeschleuniger der Welt

D. Lenz

Der Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) in Genf ist mit seinen 27 Kilometern Länge nicht gerade klein. Wie der Name „Large Hadron Collider“ (kurz: LHC) impliziert, war der Bau extrem aufwendig und teuer. US-amerikanische Physiker haben daher einen Teilchenbeschleuniger entwickelt, der deutlich kleiner und kostengünstiger ist, die Elektronen aber trotzdem auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Menlo Park (U.S.A.). Der Laborleiter Michael Litos und sein Team vom SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien haben eine Methode entwickelt, um auf extrem kleinem Raum Teilchen 500 mal schneller zu beschleunigen, als mit herkömmlichen Methoden. Im Fachjournal Nature erklären die Wissenschaftler, wie dieser Prozess funktioniert und welche Möglichkeiten für die Zukunft sich daraus ergeben.

Der LHC in Genf ist 27 Kilometer lang, China plant einen Supercollider, der mehr als doppelt so lang werden soll, wie ebenfalls das Fachblatt Nature berichtet. Doch in Menlo Park beschränkt man sich auf bloß 30 Zentimeter für die Teilchenbeschleunigung – wie ist das möglich?

Plasma als Schlüssel zum Miniaturbeschleuniger

Wenn man ein Gas immer weiter erhitzt, wird es ionisiert und erreicht den Plasmazustand. Die Gruppe von Physikern um Michael Litos arbeitet laut eigenen Angaben mit Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius. Dabei füllen sie Wasserstoff in eine Röhre und regen das Gas mit einem Laser an, um es zu ionisieren.

Das Plasma dient dann als Grundlage für eine Teilchenbeschleunigung nach dem Kielfeld-Prinzip. Dabei wird eine Plasma-Welle erzeugt, auf der die Elektronen sich wie ein Surfer auf einer Welle bewegen und dabei Energie aufnehmen. Seit Jahren wird an dieser platz- und energiesparenden Technologie geforscht, damit die Kielfeld-Beschleuniger eines Tages den LHC und andere kilometerlange Linearbeschleuniger ablösen können. Denn statt den ca. 0,01 Gigavolt pro Meter, kommen Michael Litos und sein Team auf 4,4 GeV.

Large Hadron Collider noch nicht abgelöst

Auf den ersten Blick ist der 30-Zentimeter-Beschleuniger eine Sensation und die Lösung aller Probleme. Doch leider gibt es einige Schwierigkeiten, die bisher noch nicht beseitigt wurden. Zum einen gehen etwa 90 Prozent der anfänglich isolierten Elektronen bei dem Vorgang verloren. Zum anderen ist das Kielfeld-Verfahren nicht auf Positronen, die positiv geladenen Antiteilchen der Elektronen, anwendbar. Eine Elektron-Positron-Kollision kann daher nicht mit dem SLAC-Beschleuniger erreicht werden – zumindest bis jetzt.

Das Ziel der SLAC-Forscher ist es, ihre Technologie zu perfektionieren, um dann mehrere Miniaturbeschleuniger hintereinander zu schalten und in die interessanten Gigavolt-Bereiche von 125 GeV (Higgs-Boson) und mehr zu gelangen. Bis jetzt ist man aber, trotz der beeindruckenden Fortschritte am SLAC, von Skalierbarkeit noch ein Stück entfernt.

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