Surfen auf der Plasmawelle

Elektronenbeschleuniger werden immer kleiner

Palaiseau (Frankreich) - Weiß brodelt das Wasser einer Welle entlang ihres Kamms. In der Meeresbrandung vor Sylt oder Hawaii streben Surfer genau diesen Bereich an, um rasant durch das Wasser zu gleiten. Das gleiche Prinzip nutzen nun französische Forscher für die Entwicklung kleiner und leistungsfähiger Elektronenbeschleuniger. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" beschreiben, gelang es ihnen mit kurzen Laserpulsen, Elektronen auf dem Kamm einer so genannten Plasmawelle zu beschleunigen.

"In Laser-Plasma-Beschleunigern erzeugt ein intensiver Laserpuls ein elektrisches Wellenfeld, das Teilchen in viel kürzeren Abständen als bei konventionellen Beschleunigern auf hohe Energien bringt", schreiben Jerome Faure und seine Kollegen von der Ecole Polytechnique in Palaiseau. Auf einer nur zwei Millimeter langen Strecke erreichten Elektronen Energien von etwa 200 Millionen Elektronenvolt. Klassische Beschleuniger an den großen Forschungszentren der Elementarteilchenphysik schaffen solche Werte nur bei einer fast 1000 mal so langen Beschleunigungsstrecke.

Für ihren Erfolg fokussierten die Forscher einen rund 30 Terawatt starken und nur 30 Femtosekunden kurzen Laserpuls auf schnell strömendes Heliumgas. So angeregt bildete sich ein heißes Plasma, bei dem sich die Elektronen von den Atomkernen trennen. Ergebnis war die Aussendung eines extrem kurzen Strahls hochenergetischer Elektronen. Um in den besten Beschleunigungsbereich der Plasmawelle zu gelangen, griffen Faure und Kollegen zu einem zweiten Laser. Dieser schubste die Elektronen quasi auf den Kamm der Plasmawellen. Der Vorteil: Der Prozess lief nun deutlich stabiler ab als bei allen Versuchen vorher.

"Mit diesem Ergebnis liegen kompakte Beschleuniger für medizinische und industrielle Anwendungen viel näher, als wir heute denken mögen", beurteilt Tom Katsouleas von der University of Southern California dieses Experiment. Schon heute werden Teilchenbeschleuniger für neue bildgebende Verfahren in der Medizin und für die Untersuchung neuer Materialien verwendet. Doch sind die Anlagen viele hundert Meter groß und ihre Baukosten reichen in die Milliarden. Das neue Konzept eines kleinen Plasmabeschleunigers soll dagegen zu günstigeren Anlagen führen, die selbst in einem normalen Laborraum genug Platz finden.