Teilchenbeschleuniger der Zukunft: Klein, günstig und ultra-stark

Wissenschaftler vom Institut für Theoretische Physik der Universität Düsseldorf forschen an einer neuen Generation von Teilchenbeschleunigern. Mit der untersuchten Plasmawellen-Technik könnten diese heute viele Kilometer großen Apparaturen drastisch schrumpfen und erheblich billiger werden.

Düsseldorf - Teilchenbeschleuniger sind heute die leistungsfähigsten Mikroskope der Physiker. In ihnen werden die elementaren Bausteine der Materie – Elektronen, Protonen und Atomkerne – auf ungeheure Energien beschleunigt. Je energiereicher die Teilchen sind, desto kleinere Strukturen und umso fundamentalere Fragen können mit ihnen untersucht werden: Was ist Raum, was ist Zeit, woher kommt die Masse, woraus bestehen "Dunkle Materie" und "Dunkle Energie"? Doch je höher die Teilchenenergie werden soll, desto größer und teurer werden die Anlagen. Der weltweit  stärkste Beschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Labor für Elementarteilchenphysik CERN in Genf, hat einen Umfang von fast 27 km.

Der Traum der Physiker wäre es, nicht nur Protonen, sondern Elektronen auf ebenso hohe Energien zu beschleunigen. Denn Elektronen liefern feinere, klarere Daten als Protonen. Aufgrund ihrer Eigenschaften könnte ein solcher Elektronenbeschleuniger nur als gerade Strecke gebaut werden. Mit herkömmlichen Technologien wäre er mehrere 100 Kilometer lang. Eine Alternative haben die Düsseldorfer Physiker nun in Modellrechnungen untersucht. Statt herkömmliche Beschleuniger immer länger zu machen, wollen sie die elektrischen Beschleunigerfelder erhöhen. Die konventionellen Möglichkeiten zur Erhöhung der Feldstärken sind weitgehend ausgeschöpft. Der neue Ansatz nutzt so genannte Plasmawellen zur Beschleunigung. Plasmen sind ionisierte Gase, in denen die Elektronen von den Atomkernen getrennt wurden. Sie erlauben es, die für die Beschleunigung von Elektronen verfügbaren Feldstärken um das Tausendfache zu steigern.

Der neue Ansatz zur Erzeugung von Plasmawellen nutzt dazu hochenergetische Protonen aus Beschleunigern. Durch das Plasma wird die Protonenenergie auf die Elektronen übertragen. Computersimulationen in Düsseldorf haben gezeigt, dass ein so aufgebauter Beschleuniger auf einer Länge von nur 300 Metern Elektronen auf eine Energie von 0,5 TeV beschleunigen kann. Mit heutigen Technologien und den Düsseldorfer Forschungsergebnissen wäre also ein kompakter Hochenergie-Elektronenbeschleuniger realisierbar, mit dem die aktuellsten Fragen der Physik erforscht werden können.