Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laser-Beschleuniger: Erste Messergebnisse zur Polarisation des Kernspins veröffentlicht

17.02.2014
Kompakte Laser-Plasma-Beschleuniger sind im Begriff, klassische Teilchenbeschleuniger in immer mehr Bereichen zu ersetzen. Möglicherweise lassen sie sich auch als Quelle für polarisierte Teilchenstrahlen nutzen, wie erste Messungen von Jülicher und Düsseldorfer Wissenschaftlern nahelegen.

Derartige Teilchenstrahlen werden für hochpräzise kernphysikalische Experimente benötigt. In Kombination mit der neuen Beschleunigertechnologie können sie darüber hinaus neue Ansätze für die Fusionsenergie eröffnen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physics of Plasmas (doi: 10.1063/1.4865096) veröffentlicht.


Polarisation führt zu einer asymmetrischen Verteilung. Die gleichmäßige Verteilung ohne (links) und mit (rechts) Streuung an einem Target zeigt, dass die Teilchen nicht zusätzlich polarisiert werden.

Quelle: Natascha Raab / Universität zu Köln

Teilchenbeschleuniger sind ein unverzichtbares Werkzeug in vielen Feldern der Naturwissenschaften und Medizin. Sie geben Aufschluss über die Struktur und Eigenschaften der Materie. Zu medizinischen Zwecken eingesetzt helfen sie, Tumore zu entfernen und Kontrastmittel für bildgebende Verfahren zu gewinnen. Die hochenergetischen Teilchen, die benötigt werden, lassen sich mit herkömmlichen Beschleunigern allerdings nur mit hohem Aufwand gewinnen. Die Maschinen sind sehr komplexe, große und kostspielige Einrichtungen. Entsprechende Anlagen sind daher nur eingeschränkt verfügbar.

Beschleuniger, die mit Laserpulsen höchster Intensität arbeiten, können Teilchen dagegen schon in gewöhnlichen Laborräumen auf die notwendigen Geschwindigkeiten bringen – bei entsprechend geringerem Aufwand für Anschaffung und Betrieb. Die erste Generation dieser neuen Beschleunigertechnologie befindet sich seit einigen Jahren im Einsatz und wird seitdem für verschiedene neue Anwendungsfelder weiterentwickelt.

Neue Messmethode entwickelt
Die Arbeitsgruppe von Prof. Markus Büscher arbeitet daran, diese sogenannten Laser-Plasma-Beschleuniger für klassische Physikexperimente einzusetzen. „Wir haben eine Methode entwickelt, die es erstmals ermöglicht, die Polarisation der Teilchen an Laser-Beschleunigern zu messen. Dabei hat sich gezeigt, dass der sogenannte Spin oder Eigendrehimpuls der Protonen nicht durch die starken elektromagnetischen Felder ausgerichtet wird, die innerhalb des vom Laser erzeugten Plasmas vorherrschen“, erklärt der am Jülicher Peter Grünberg Institut sowie an der Düsseldorfer Universität tätige Physiker. Damit ist eine wichtige Voraussetzung erfüllt, um Laser zur Beschleunigung polarisierter Teilchen einzusetzen. Ob dies tatsächlich funktioniert, soll sich im Laufe des Jahres zeigen.

Die zugrundeliegenden Streuexperimente haben die Wissenschaftler an der Universität Düsseldorf durchgeführt und anschließend mit Ergebnissen verglichen, die mit konventionellen Teilchenbeschleunigern gewonnen wurden. Der Arcturus-Laser, der bei den Versuchen zum Einsatz kam, liefert hochintensive Terawatt-Pulse. Mit ihm werden Teilchen auf einige MeV beschleunigt. „Um die Intensität im Fokus mit gewöhnlichem Licht zu erzielen, müsste man das gesamte Licht, das von der Sonne auf die Erde fällt, auf eine Bleistiftspitze bündeln“, verdeutlicht Prof. Oswald Willi vom Düsseldorfer Institut für Laser- und Plasmaphysik. „Ein Laserpuls ist dafür aber auch nur extrem kurz und dauert nicht viel länger als eine Billiardstel Sekunde.“

Neue Option für die Fusion
Die gemessene Polarisation beschreibt die Ausrichtung der Spins. Normalerweise zeigen die Spins von Atomen, Atomkernen und Elektronen statistisch gleichmäßig in alle Richtungen. Sind die Spins dagegen gleich ausgerichtet, spricht man von einem polarisierten Teilchenstrahl. Dessen Eigenschaften bieten mehrere Vorteile. Die Polarisation reduziert die Anzahl der Freiheitsgrade bei kernphysikalischen Experimenten. Das erhöht die Aussagekraft der gemessenen Werte. Und es kann die Wahrscheinlichkeit – den sogenannten Wirkungsquerschnitt –, dass eine Reaktion zwischen zwei aufeinander treffenden Teilchen, stattfindet erhöhen.

„Aus der Vergrößerung des Wirkungsquerschnitts können sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben“, erläutert Markus Büscher. „Insbesondere die Energieausbeute von Fusionsreaktoren, zum Beispiel vom ITER-Typ, ließe sich mit polarisierten Teilchen um ein Vielfaches steigern.“ Die Entwicklung von Fusionsreaktoren zielt darauf ab, aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gewinnen. Ähnliche Prozesse finden auch im Innern der Sonne statt. Wenn es gelingt, sie eines Tages auf der Erde zu kontrollieren, kann die Fusion praktisch unerschöpfliche Mengen an sicherer und günstiger Energie liefern.

So funktioniert ein Laserbeschleuniger:
Zur Erzeugung des Teilchenstrahls schießt ein Laser auf eine dünne Folie. Die hohe Energie führt dazu, dass sich die Elektronen beim Auftreffen des Laserpulses von den Atomkernen lösen. Zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen und der dahinter liegenden, negativ geladenen Elektronenwolke bildet sich ein elektromagnetisches Feld aus. Dieses Feld ist etwa eine Million Mal stärker als das konventioneller Teilchenbeschleuniger und daher in der Lage, die Atomkerne auf kürzester Distanz zu beschleunigen.
Animation zur Funktionsweise eines Laserbeschleunigers: http://www.fz-juelich.de/ias/jsc/EN/AboutUs/Organisation/ComputationalScience/Si...

Wissenschaftler erforschen mit Simulationen am Jülich Supercomputing Centre grundlegende Laser-Plasma-Wechselwirkungen. Die Erkenntnisse fließen in die Weiterentwicklung von Laser-Teilchenbeschleunigern ein. Auch die Messwerte der aktuellen Publikation zur Polarisation der Teilchen wurden mit Ergebnissen aus Computersimulationen verglichen.

Zukunftsprojekt JuSPARC:
Die Experimente zur Laser-induzierten Erzeugung polarisierter Strahlen sind auch ein wichtiger Schritt für die am Forschungszentrum geplante Kurzpulslaser-Anlage JuSPARC. Diese wird insbesondere für Versuche mit hoher Repetitionsrate – also einer hohen Pulsfrequenz – ausgelegt. Neben der Beschleuniger- und Hadronenphysik werden auch angrenzende Bereiche wie die Festkörper- und Energieforschung, die Informationstechnologie und die Strukturbiologie von der Einrichtung profitieren, die im Rahmen der Beschleunigerinitiative „Accelerator Research and Development“ der Helmholtz-Gemeinschaft in Jülich errichtet werden soll.
Originalveröffentlichung:
Polarization measurement of laser-accelerated protons
Natascha Raab, Markus Büscher, Mirela Cerchez, Ralf Engels, llhan Engin, Paul Gibbon, Patrick Greven, Astrid Holler, Anupam Karmakar, Andreas Lehrach, Rudolf Maier, Marco Swantusch, Monika Toncian, Toma Toncian and Oswald Willi

Phys. Plasmas 21 , 023104 (2014) ; http://dx.doi.org/10.1063/1.4865096

Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut, Elektronische Eigenschaften (PGI-6):
http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-6
Laser- und Plasmaphysik der Heinrich Heine Universität Düsseldorf: http://www.laserphy.uni-duesseldorf.de/index_ger.html
Kontakt:
Prof. Dr. Markus Büscher, Peter Grünberg Institut,
Elektronische Eigenschaften (PGI-6)
Tel. 02461 61-6669
m.buescher@fz-juelich.de
Pressekontakt:
Tobias Schlößer
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All
24.01.2017 | Leibniz Universität Hannover

nachricht European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen
24.01.2017 | European XFEL GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie