Ein Laser durchleuchtet Lastwagen und Hauswand aus 15 Metern Entfernung und braucht dafür nur einen einzigen Puls. Möglich machen das Myonen, schwere Verwandte des Elektrons, die ein Laser-Plasma-Beschleuniger in großer Zahl erzeugt. Bislang mussten Forscher für solche Durchleuchtungen wochen- oder monatelang Teilchen aus dem All sammeln. Ein Team aus den USA und Tschechien zeigt nun, dass es deutlich schneller geht, auch wenn die Technik noch einen weiten Weg vor sich hat.
Röntgenstrahlen stoßen schnell an ihre Grenzen. Schon wenige Zentimeter Blei oder ein dicker Stahlmantel schlucken sie fast vollständig, weshalb Zollbehörden, Sicherheitsbehörden und Betreiber kerntechnischer Anlagen seit Jahren nach Alternativen suchen. Eine davon fällt buchstäblich vom Himmel. Wenn energiereiche kosmische Strahlung in 15 bis 20 Kilometern Höhe auf Atome der Atmosphäre trifft, entstehen Myonen, die bis zum Erdboden gelangen und selbst dicke Gesteinsschichten durchdringen. Auf Meereshöhe trifft etwa ein solches Teilchen pro Quadratzentimeter und Minute auf, genug für ständige Hintergrundmessungen, aber viel zu wenig für schnelle Bilder. Die Myonen-Radiographie nutzt diese natürliche Quelle bereits, um Vulkane, Pyramiden oder zerstörte Reaktoren zu durchleuchten. Für ein brauchbares Bild müssen die Detektoren allerdings Wochen bis Monate lang Daten sammeln, zumal die Teilchen überwiegend von oben einfallen und nur selten aus der Richtung, in der ein Objekt steht.
Myonen ähneln Elektronen, sind aber rund 207-mal schwerer. Weil sie kaum mit Materie wechselwirken, fliegen sie durch Beton, Fels und Stahl, wo Röntgenlicht längst stecken bleibt. Nach etwa 2,2 Mikrosekunden zerfallen sie, bei hoher Geschwindigkeit reicht das dank der Zeitdehnung der Relativitätstheorie dennoch für lange Strecken. Wie mächtig das Verfahren ist, zeigte 2017 die Entdeckung eines großen, bis dahin unbekannten Hohlraums in der Cheops-Pyramide, die allein mit kosmischen Myonen gelang. Auch in Fukushima kartierten Forscher auf diese Weise den geschmolzenen Brennstoff in den havarierten Reaktoren. Der Traum vieler Physiker ist deshalb eine künstliche Quelle, die Myonen gezielt und in großer Zahl in eine gewünschte Richtung schickt. Klassische Teilchenbeschleuniger können das zwar, sie sind aber riesig, teuer und fest an ihren Standort gebunden, sodass sie für mobile Prüfungen nicht in Frage kommen.
Einen Ausweg versprechen Laser-Plasma-Beschleuniger. Dabei trifft ein extrem kurzer und intensiver Laserpuls auf ein Gas, reißt die Elektronen von ihren Atomkernen und hinterlässt in dem entstehenden Plasma eine Welle, ähnlich dem Kielwasser eines Schiffs. Elektronen, die auf dieser Welle reiten, erreichen auf Strecken von Zentimetern bis Metern Energien von mehreren Gigaelektronenvolt. Die Beschleunigungsfelder sind dabei bis zu 100 Gigavolt pro Meter stark und damit rund tausendmal stärker als in herkömmlichen Anlagen. Treffen die schnellen Elektronen anschließend auf ein Ziel aus schwerem Material, entstehen in einer Kaskade von Reaktionen neue Teilchen, darunter Pionen, Neutronen und eben Myonen. An der Entwicklung beteiligt sind Forscher der Colorado State University, deren Hochleistungslaser ALEPH aus der Petawattklasse als Versuchsplattform des Vorhabens dient und seine Pulse in rascher Folge abgeben kann.
Die Ergebnisse beschreibt ein Team um Kaixin Zhu und Brendan Reagan in einem auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlichten Fachaufsatz mit 32 Autoren, darunter Forscher der Colorado State University, des Lawrence Livermore National Laboratory, der University of Maryland und der europäischen Laseranlage ELI Beamlines in Tschechien. Der Teilchenstrahl mit Energien von einem bis zehn Gigaelektronenvolt bildete Testobjekte in rund 15 Metern Entfernung ab. Auf dem Weg dorthin musste er zunächst eine dichte Bleiabschirmung passieren, anschließend die Wand eines Gebäudes und schließlich die Wand eines Lastwagens. Dahinter registrierten Detektoren genug Teilchen, um aus einem einzigen Laserpuls ein Durchleuchtungsbild zu gewinnen. Nach Angaben der Autoren ist das die erste Radiographie dieser Art mit einer laserbasierten Quelle im Bereich mehrerer Gigaelektronenvolt.
Dass tatsächlich Myonen die Arbeit leisteten, prüften die Forscher auf zwei Wegen. Große Szintillationsdetektoren zeichneten Zerfallsereignisse auf, deren zeitliche Verzögerung zur bekannten Lebensdauer der Myonen passt. Computersimulationen zeigten zudem, dass der energiereiche Anteil des Strahls, der das Testobjekt durchquert, fast ausschließlich aus Myonen besteht, während Pionen und Neutronen weitgehend auf der Strecke bleiben. Besonders eindrucksvoll ist der Vergleich mit der Natur. Ein einzelner Puls lieferte so viele Myonen, wie die kosmische Strahlung nahe dem Horizont erst in mehr als acht Stunden liefert. Für Messungen, bei denen ein Objekt seitlich durchleuchtet werden soll, ist das ein enormer Zeitgewinn, weil flach einfallende kosmische Myonen besonders selten sind und die Belichtung entsprechend lange dauert.
Hinter der Forschung steht das Programm Muons for Science and Security der US-Militärforschungsbehörde DARPA. Das Lawrence Livermore National Laboratory leitet dafür das Projekt ICMuS2 zur Entwicklung einer transportablen Myonenquelle, deren Teilchenfluss den natürlichen um Größenordnungen übertreffen soll. Langfristig peilen die Beteiligten Energien von 10 bis 100 Gigaelektronenvolt an. Mögliche Einsatzfelder sind die Kontrolle von Containern und Fahrzeugen auf versteckte Kernmaterialien, die Überwachung von Lagerbehältern mit abgebrannten Brennelementen, die Prüfung maroder Brücken und Hochöfen oder der Blick in Bunker und Tunnel. Überall dort scheitern Röntgenverfahren an der Dicke oder Dichte des Materials, während kosmische Myonen zu langsam liefern. Eine Quelle, die eines Tages auf einen Anhänger passt, könnte beide Schwächen überwinden.
Laserphysik entwickelt sich damit zu einem Werkzeug, das weit über das Labor hinausreicht. Ultrakurze Pulse schalten inzwischen sogar magnetische Datenspeicher, wie ein geformter Laserstrahl für schnellere Festplatten zeigt. Bei der Myonenquelle geht es jedoch um ganz andere Größenordnungen. Die Pulse müssen Leistungen im Petawattbereich erreichen, damit genügend Elektronen auf die nötige Energie kommen. Für den praktischen Einsatz zählt außerdem die Wiederholrate, denn je mehr Pulse pro Sekunde ein System liefert, desto schneller entstehen Bilder und desto besser lassen sich große Objekte Schritt für Schritt abtasten. An diesen Stellschrauben setzt die weitere Entwicklung an, ebenso wie an kompakteren Detektoren, die sich ohne großen Aufwand neben einem Prüfobjekt aufstellen lassen.
Noch ist die Arbeit ein Preprint, also nicht von unabhängigen Gutachtern geprüft, auch wenn Fachmedien die Ergebnisse bereits aufgreifen. Zudem stammen die Myonen aus einem gemischten Strahl, der dichte Abschirmung braucht, um Pionen und Neutronen herauszufiltern. Der Laser selbst füllt heute eine ganze Halle und ist weit davon entfernt, auf einem Lastwagen Platz zu finden. Wie allgegenwärtig kosmische Teilchen sind, zeigt sich übrigens gerade dort, wo Physiker sie loswerden wollen, denn besonders empfindliche Detektoren stehen oft tief im Gestein, wie bei einem Experiment zu Schrödingers Katze und der Schwerkraft im Fels. Dennoch markiert der Versuch einen Einschnitt, weil er erstmals zeigt, dass ein laserbasierter Strahl echte Hindernisse durchdringt und dahinter ein verwertbares Bild liefert.
arXiv, Single-Shot High-Energy Muon and Particle Radiography with a Multi-GeV Laser-Wakefield-Accelerator-Driven Source; doi:10.48550/arXiv.2607.12984