Teilchenbeschleuniger: Positronen surfen auf Plasmawelle

Stanford (USA)/Los Angeles (USA) - Wollen Physiker neue exotische Elementarteilchen entdecken, müssen sie geladene Teilchen mit immer höheren Energien aufeinanderprallen lassen. Doch höhere Energien verlangen nach längeren Beschleunigungsstrecken wie etwa im 27 Kilometer langen Ring des Large Hardron Colliders (LHC) am Cern. Für Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen, könnte diese kostspielige Grundregel nun durchbrochen werden. Wie eine internationale Forschergruppe in der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet, können Positronen, die auf einer Plasmawelle surfen, auf kürzeren Strecken als bisher sehr hohe Energien erreichen. Kleinere und günstigere Teilchenbeschleuniger wären in Zukunft damit möglich.

„Unsere Studie ist ein wichtiger Schritt, um die nächste Generation von Elektron-Positron-Beschleunigern kleiner und weniger teuer zu gestalten“, sagt Mark Hogan vom SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park. Im Blick hat er dabei den geplanten International Linear Collider (ILC), in dem Elektronen auf Positronen prallen sollen, um bei hohen Energien die am LHC in Genf gewonnenen Erkenntnisse – wie etwa die Entdeckung des Higgs-Bosons - weiter präzisieren zu können. Nach bisherigen Planungen könnte der ILC bis zu 31 Kilometer lang werden. Wann und wo dieser Beschleuniger gebaut werden könnte, ist noch nicht entschieden.

Um Positronen effizienter als bisher beschleunigen zu können, nutzten Hogan und seine Kollegen eine Plasmawolke aus positiv geladenen Lithium-Ionen. In einem kleinen Testbeschleuniger (FACET) lenkten sie ein Paket aus gut 14 Milliarden vorbeschleunigten Positronen auf diese Plasmawolke. Dabei übertrugen die vorderen Positronen ihre Energie auf die Lithium-Ionen. Diese Energie konnte von Positronen am Ende des Positronen-Pakets, auch Bunch genannt, aufgenommen werden. Sie surften quasi auf der zuvor mit Energie aufgeladenen Plasmawelle.

Auf einer relativ kurzen Strecke von nur 1,3 Metern nahm die Energie der Positronen um fünf Gigaelektronenvolt zu. Elektronenvolt ist die typische Einheit für die Energie beschleunigter Elementarteilchen. In herkömmlichen Teilchenbeschleunigern können Positronen ihre Energie nur etwa um ein Hundertstel dieses Wertes auf gleicher Strecke steigern. Mit hochfrequenten Radiowellen sind nur geringere Beschleunigungsraten von etwa 0,03 Gigaelektronenvolt pro Meter möglich.

Plasmawellen konnten schon vor wenigen Jahren auch Elektronen sehr effizient auf kurzen Strecken beschleunigen. Damit steht nun für beide Teilchenarten – Elektronen und Positronen – eine neue Beschleunigungsmethode zur Verfügung. Doch reif für den Einsatz in zukünftigen Teilchenbeschleunigern ist dieses Verfahren bisher noch nicht. So ist es aus heutiger Sicht noch nicht absehbar, ob die Plasmawellen-Beschleunigung schon beim ILC oder erst bei nachfolgenden Generationen von Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen wird.