Ein Schuss, viele Treffer

Da steckt Einstein drin: Ultrakurze Laserpulse beschleunigen Elektronen auf Lichtgeschwindigkeit und erzeugen so einen Protonenstrahl

Die silbern glänzende Anlage wirkt wie ein kleines Kraftwerk oder eine Chemiefabrik. Tonnenförmige Metallbehälter mit dick verglasten Bullaugen und wuchtigen Schraubenmuttern stehen herum, Stahlrohre, dick wie ein Oberschenkel, führen hinein, Ketten mit großen Karabinerhaken hängen von der Decke. Das Laserlabor im Max-Born-Institut ist ein beeindruckender Anblick. Ebenso beeindruckend sind die Leistungsdaten der großen Laser. Zurzeit erzeugen die Wissenschaftler in dem Höchstleistungs-Laserlabor des MBI kurzfristig Lichtleistungen von vielen Milliarden Kilowatt. Zum Vergleich: Das Blitzlicht eines Fotoapparats setzt kurzfristig tausend Watt frei, also ein Kilowatt (anders ausgedrückt: etwas über 1 PS reine Lichtleistung). Ein Kilogramm Sprengstoff (TNT) liegt bei einer Million Watt, das ist ein Megawatt. Ein Blitz bei einem Gewitter kommt mit Licht, Donner und Luftdruck immerhin schon auf tausend Milliarden Watt (10 hoch 12 oder ein Terawatt). Der Hochleistungslaser am MBI schafft derzeit deutlich über 25 Terawatt reine Lichtleistung, 100 Terawatt sind demnächst vorgesehen. Damit gehört dieses Lasersystem zu den leistungsstärksten Labor-Lasern, die in verschiedenen Instituten weltweit im Betrieb sind.

Ihre eigentliche Kraft entfalten diese Lichtpulse, wenn man sie auf einen winzigen Brennfleck fokussiert. Dabei wird eine immense Leistungsdichte von „zehn hoch neunzehn“ Watt pro Quadratzentimeter frei, allerdings nur für sehr kurze Zeit und auf einer Fläche von wenigen Tausendstel Quadratmillimetern. 35 Femtosekunden dauert ein Laserpuls, zehn mal pro Sekunde wird gefeuert. Eine Femtosekunde ist der milliardste Teil einer Millionstelsekunde. Der Puls trifft in der luftleer gepumpten großen Tonne auf ein Ziel („Target“) und setzt damit eine ganze Kaskade von Reaktionen in Gang.

Das intensive Laserlicht erhitzt die Folie und erzeugt auf ihrer Oberfläche ein Plasma. Darin werden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Sie rasen durch die einige Mikrometer dünne Metallfolie und auf der Rückseite aus ihr heraus. Hinter der Folie sammeln sich die Elektronen sozusagen, es entsteht ein negativ geladenes elektrostatisches Feld. Es existiert zehn- bis zwanzigmal länger als der Puls und ist so stark, dass aus der Folienrückseite schwere Atomteilchen, nämlich Protonen herausgerissen werden. So entsteht ein Protonenstrahl. Den könnte man nun messen, aber damit begnügen sich die Forscher am MBI nicht. Der Gastwissenschaftler Jörg Schreiber von der Ludwig-Maximilians-Universität München erläutert: „In zukünftigen Experimenten wird mit einem zweiten Laserstrahl ein zweites Plasma erzeugt, durch das die Protonen fliegen.“ Aus der Ablenkung der Teilchen können die Wissenschaftler in der Projektgruppe um Dr. Matthias Schnürer dann viele Rückschlüsse über die Vorgänge in den Plasmen ziehen. Schreiber: „Das Elegante dabei ist, dass wir mit einem Schuss viele Ergebnisse erzielen.“

Die Erzeugung von zwei Plasmen mithilfe zweier verschiedener Höchstleistungslaser, die innerhalb von Bruchteilen von milliardstel Sekunden synchronisiert feuern, ist eine Spezialität des MBI. Sie ist einmalig in Deutschland und Europa und macht das MBI zu einem begehrten Kooperationspartner für solche Experimente. So sind die Versuche, die Jörg Schreiber und seine Kollegen machen, eingebettet in einen neuen Sonderforschungsbereich/Transregio. Seine Besonderheit ist, dass er über drei Universitäten (Düsseldorf, München, Jena) und zwei außeruniversitäre Institute (Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching, und Max-Born-Institut, Berlin) verteilt ist. Sprecher ist Professor Dr. Oswald Willi von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Bleibt die Frage nach dem Nutzen: „Wichtige Fragen für uns sind: Wie wird Energie in solch relativistischen Plasmen transportiert? Wie funktioniert überhaupt so ein Plasma?“, antwortet Matthias Schnürer. Neben solch grundlegenden Fragen gibt es auch anwendungsnahe Aspekte. Denn der erzeugte Protonenpuls kann zur Strukturuntersuchung von normaler Materie – Festkörper oder gar biologische Moleküle – genutzt werden. Zwar ist seine Pulsdauer weit kürzer als die Pulsdauer von Protonenstrahlen aus großen Teilchenbeschleunigern und Forschungsreaktoren, doch dafür ist der Strahl viel dichter. Außerdem braucht man keine dieser Megamaschinen, um den Protonenstrahl zu erzeugen. Die Laseranlage im MBI ist zwar beeindruckend groß, doch die kurzen Lichtpulse lassen sich im Prinzip auf zwei großen Labortischen erzeugen, wenn man einen speziellen Laser daraufhin optimieren würde. So könnte es bei fortschreitender Miniaturisierung analog zum „Tisch-Computer“ demnächst auch einen „Tisch-Beschleuniger“ geben.

Und was hat das mit Einstein zu tun? „Unser Laserlicht ist so stark, dass Elektronen in diesem Feld selbst bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden“, sagt Schnürer, „und das, obwohl sie in einer Millionstel Sekunde hundert Millionen mal ihre Bewegungsrichtung umkehren, eine schwindelerregende Karussellfahrt. Eine solche Bewegung und ihre physikalischen Konsequenzen können nur noch mit Einsteins Relativitätstheorie beschrieben werden.“ Daher heißt der Sonderforschungsbereich auch „Relativistische Laser-Plasma-Dynamik“.