Laserphysik -Teilchenbeschleunigung im Taschenformat

Wer verstehen möchte, wie unsere Welt auf ganz elementarer Ebene funktioniert, sollte einen möglichst leistungsstarken Teilchenbeschleuniger zur Verfügung haben. Als heißer Kandidat, die nächste Generation von Beschleunigern anzutreiben und damit noch avanciertere Forschung zu ermöglichen, gilt die sogenannte Plasma-Wakefield-Beschleunigung (PWFA).

Bis heute sind jedoch wichtige technische und physikalische Fragen rund um diese Technologie ungeklärt. Das liegt vor allem daran, dass nur wenige Großbeschleuniger die zum Antrieb der Plasmawellen geeigneten Elektronenpulse erzeugen können.

Doch nun macht ein Team um Professor Stefan Karsch vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) an der LMU und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) mit einem Miniatur-Modell die Erforschung von PWFA auch im Universitätslabor möglich und stellt die Technologieentwicklung so auf eine breitere Basis.

Die Plasma-Wakefield-Beschleunigung, die als neuartige Beschleunigertechnologie die Größe und damit Kosten solcher Projekte drastisch reduzieren könnte, verwendet Plasmawellen statt Radiowellen zur Beschleunigung. Die Plasmabeschleunigung lässt Elektronen auf einer Welle surfen. Diese wird durch einen kurzen, hochdichten Elektronenpuls, auch Treiberpuls genannt, erzeugt, der durch ein Plasma geschickt wird.

Die Elektronen im Plasma werden dabei von den Elektronen im Treiberpuls abgestoßen, in etwa so wie ein Schiff Wasser verdrängt, und bilden deshalb eine Kielwelle. Auf dieser Kielwelle können jetzt wiederum andere Elektronen surfen und dabei eine deutlich höhere Energie gewinnen als die Elektronen im Treiberpuls.

Bislang waren dafür noch große, konventionelle Beschleuniger notwendig. Darum wird diese Technik bisher nur an wenigen Großanlagen wie SLAC oder CERN erforscht.

Die Forscher um Stefan Karsch entwickelten ihre Miniaturversion von PWFA im Laboratory for Extreme Photonics der LMU. Diese funktioniert ähnlich wie ein Wellenbecken, in dem man mit kleinen Modellen zum Beispiel Strömungen im Ozean studieren kann.

Dabei verwendeten die Physiker den ATLAS Laser als Erzeuger für die Treiberstrahlen. Dessen intensive Teilchenstrahlen erlaubten es ihnen, einen wenige Millimeter langen Plasmabeschleuniger zu schaffen und dabei das Kielwellenfeld abzubilden. Ihr rein optischer Ansatz ermöglichte es, Diagnostiken zu implementieren, die neue Einblicke in das Plasma schafften.

Dadurch beobachteten die Laserphysiker erstmals die Langzeitdynamik der Welle und die Bewegung der Ionen im Plasma, deren Dynamik üblicherweise in Simulationsrechnungen vernachlässigt wird. Diese Beobachtungen können nun direkt zur Optimierung von PWFAs an Großanlagen verwendet werden. (LAP/LMU)

Prof. Stefan Karsch
Chair of Experimental Physics-Laser Physics
LMU
Tel.: +49 / (0)89 / 32905-322
E-Mail: stefan.karsch@mpq.mpg.de

Dr. Andreas Döpp
Chair of Experimental Physics-Laser Physics
LMU
Tel.: +49 / (0)89 / 289-14170
E-Mail: a.doepp@physik.uni-muenchen.de

M. F. Gilljohann, H. Ding, A. Döpp, J. Götzfried, S. Schindler, G. Schilling, S. Corde, A. Debus, T. Heinemann, B. Hidding, S. M. Hooker, A. Irman, O. Kononenko, T. Kurz, A. Martinez de la Ossa, U. Schramm, and S. Karsch
Direct Observation of Plasma Waves and Dynamics Induced by Laser-Accelerated Electron Beams
Physical Review X 2019