Ein LHC im Schulhof?

28.05.2014

Laser-Plasma-Beschleuniger könnten die Leistung großer Teilchenbeschleuniger übertreffen - aber auf viel kleinerem Raum. Das einzige, was bisher dazu fehlte, war ein riesiger Laser

Bella ist ganz und gar nicht niedlich. Die Installation im kalifornischen Berkeley ("Berkeley Lab Laser Accelerator") braucht mit einer Grundfläche von zehn mal zehn Metern zwar nur ein paar Räume in einem Laborgebäude, ist aber trotzdem in der Lage, 400 mal mehr Leistung in Form eines Laserpulses abzugeben als alle Kraftwerke weltweit zusammengenommen produzieren können. Der scheinbare Widerspruch wäre gut geeignet, Schülern den Unterschied zwischen Leistung und Arbeit beziehungsweise Energie zu erklären.

Tatsächlich geben Bellas stärkste Laserpulse nicht mehr Energie ab als eine Glühlampe (42 Watt) - nur in weitaus kürzerer Zeit. Sie dauern genau 40 Femtosekunden (40 Billiardstel Sekunden). Danach braucht Bella eine ganze Sekunde Erholung. Ohne all die Sekundärsysteme könnte man den Petawatt-Laser im Grunde also an einer Haushaltssteckdose betreiben.

Für die Physik interessant ist Bella vor allem, weil Laser als Voraussetzung für ein interessantes Konzept galten, das milliardenteure Teilchenbeschleuniger durch eine weitaus weniger Platz fressende Alternative ersetzt. Der allgemeine deutsche Begriff "Kielfeld-Beschleuniger" verrät fast weniger als sein englisches Pendant, der "Wakefield Accelerator": Die Idee besteht darin, Teilchen Energie zu übertragen, indem man sie wie Surfer auf einer Welle mitreisen lässt. Auf wenigen Zentimetern Wegstrecke (statt über Kilometer wie beim Linearbeschleuniger) lassen sich damit enorme Teilchenenergien erreichen.

In kürzester Zeit werden enorme elektrische Felder aufgebaut

Die übliche Bauform (und hier kommt Bella ins Spiel) ist dabei der Laser-Plasma-Beschleuniger. Ein energiereicher Laserstrahl durchquert ein Plasma, also ein aus Ionen und Elektronen bestehendes Gas. Seine Kielwelle reißt die leichten Elektronen mit, während die Ionen zurückbleiben. So bauen sich in kürzester Zeit enorme elektrische Felder auf, die 100 bis 1000 mal größer als in konventionellen Beschleunigern sind.

Für massereichere Teilchen (etwa Protonen) ist das Konzept weniger geeignet - damit funktioniert es nur, wenn die Teilchen schon mit hoher Geschwindigkeit einfliegen. Es lassen sich statt eines Lasers aber auch Elektronen- oder Protonenstrahlen einsetzen (die man natürlich wieder erst gewinnen muss).

Simulation eines Laser-Plasma-Beschleunigers. Die Elektronen (gelb und grün) surfen auf den Wellen (blau) des Laserstrahls. (Bild: Cameron Geddes, LOASIS Program / National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC)

Obwohl die Forscher schon über 30 Jahre über das Konzept grübeln, liegt die bisherige Rekordleistung eines Laser-Plasma-Beschleunigers bei nur 2 GeV, bei einer Wegstrecke von einigen Zentimetern. Das genügt für manch industrielle Anwendung (Linearbeschleuniger brauchen für diese Energie vielleicht 50 Meter), bringt aber die Grundlagenforschung noch nicht voran und muss Beschleuniger-Giganten wie den LHC nicht beunruhigen.

Energiespitzen in einem inkohärenten Laserfeld

Zwei Wege bieten sich an, um die Idee voranzubringen. Zum einen könnte man einfach mehrere derartige Beschleuniger koppeln. Das bringt allein mehr Quantität, jedoch keine neue Qualität, die Leistung wächst nur linear. Natürlich bietet es sich an, die Laser-Leistung zu erhöhen. Mit dem Petawatt-Laser in Berkeley ist man da aber schon an einer gewissen Grenze - Bella hat immerhin 28 Millionen Dollar gekostet.

Die Energieverteilung im Laser-Plasma-Feld zu Beginn der Simulation und in einiger Entfernung von der Quelle. Die Forscher sind an den Energiespitzen in diesem inkohärenten Feld interessiert. (Bild: Carlo Benedetti/LBL)

Eine interessante Alternative wäre es deshalb, mehrere schwächere Laser zu koppeln. Die Hauptschwierigkeit besteht hier darin, das Abfeuern der Pulse zu synchronisieren - für die Hochenergiephysik wären ein paar Zehntausend Impulse pro Sekunde wünschenswert. Die einzelnen Laser (einige Hundert bis Tausend) müssten innerhalb einer Femtosekunde feuern, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. An dieser Stelle ist die praktische Umsetzung bisher gescheitert.

Nun scheint sich aber ein anderer Weg abzuzeichnen, wie ein Paper im Magazin "Physics of Plasmas" zeigt. Die Autoren zeigen mit Hilfe einer Simulation, dass die Pulse gar nicht im perfekten Moment kommen müssen. So, wie ein Kind beim Schaukeln auch nicht immer den optimalen Moment abpassen muss, kann auch ein inkohärentes Laserfeld die nötigen Energiespitzen produzieren.

Es gibt allerdings noch immer eine Einschränkung: "Gut genug" sind dabei Anforderungen, die mit heutiger Technik ebenfalls noch nicht umgesetzt wurden. Das Problem sollte sich aber, hoffen die Forscher, mit starken Faserlasern lösen lassen. Faserlaser besitzen einen hohen Wirkungsgrad und können auch Pulse im Femtosekundenbereich mit hohen Leistungen aussenden.

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