Laser-Plasmabeschleuniger ohne Limits

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HZDR-Physiker stellen Konzept für laserbasierte Elektronenbeschleuniger vor – Rekord auch am Lawrence Berkeley National Laboratory und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY

Sie sind klein, günstig und die heimliche Hoffnung der Teilchenphysiker: Laser-Plasmabeschleuniger. Doch ihre erreichbare Maximalenergie pro Beschleunigungsstufe ist limitiert. Bis jetzt zumindest. Denn eine Forschergruppe um Alexander Debus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat ein Konzept auf Grundlage theoretischer Überlegungen und großskaliger Simulationen entwickelt, mit dem die Grenzen fallen dürften. Kompakte Teilchenbeschleuniger für Forschung, Medizin und Industrie rücken damit in greifbare Nähe. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler unter dem Titel „Circumventing the Dephasing and Depletion Limits of Laser-Wakefield Acceleration“ open access im Fachmagazin Physical Review X (DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031044) veröffentlicht.

Mit Teilchenbeschleunigern gehen Physiker den Rätseln der Materie auf den Grund. Biologen speisen damit Röntgenlaser, um Zellen bei der Arbeit zuzusehen. Mediziner behandeln mit den energiereichen Strahlen Krebserkrankungen und Ingenieure nutzen sie, um sparsamere Bauelemente für die Leistungselektronik zu erschaffen. Doch herkömmliche Beschleuniger sind enorm groß und sehr kostspielig. Ein Beispiel: Um den Röntgenstrahl am European XFEL zu produzieren, wird ein Elektronenstrahl mit 17,5 Gigaelektronenvolt (GeV) benötigt – der dazugehörige Beschleuniger hat eine Baulänge von rund 1,7 Kilometer.

Neues Konzept für die Laser-Teilchenbeschleunigung: Anstatt mit einem Laser in Längsachse durch das Plasma zu schießen, ermöglichen zwei getrennte, seitlich eingebrachte Laser höhere Teilchenenergien sowie beispiellose Kontrolle über den Beschleunigungsprozess im Plasma – Grafik © HZDR / A. Debus

Kompakte Laser-Plasma Beschleuniger

„Einen Plasmabeschleuniger mit der gleichen Elektronenenergie kann man über 1.000, vielleicht sogar 10.000 Mal kleiner bauen“, sagt Alexander Debus. „Was vorher Kilometer waren, sind dann nur noch Zentimeter.“ An der Technologie haben in den vergangenen 20 Jahren viele Forscher intensiv gearbeitet. Heute lassen sich mit den kompakten Geräten die Elektronen in einem Durchgang bis auf 10 GeV beschleunigen. Doch damit scheint das Ende der Fahnenstange erreicht zu sein. Von Energien für grundlegende Teilchenphysik im Bereich einiger Teraelektronenvolt (TeV), wie sie der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in der Schweiz mit Protonen erreicht, sind Laser-Plasmabeschleuniger aktuell noch einige Größenordnungen weit entfernt.

Das wollten Debus und sein Team ändern. Ihr Ziel: „Wir möchten die Elektronen gern auf die höchsten, auf der Erde erreichbaren Energien beschleunigen.“ Dafür haben sie nun ein Konzept entworfen, das die Grenzen überwinden könnte. Anders als bisher üblich, schießen sie nicht mit einem Laser in Längsachse durch das Plasma, sondern bringen die Energie mit zwei getrennten Lasern von seitlich außen in eine Ebene hinein. Ihre theoretischen Überlegungen haben die Wissenschaftler mit verschiedenen Simulationen überprüft und weiter verfeinert. Dazu nutzen sie die HZDR-Simulationssoftware „PIConGPU“ sowie Europas schnellsten Rechencluster, den Piz Daint in der Schweiz.

Surfen auf der Plasmawelle

Um Elektronen zu beschleunigen, wird bei aktuellen Plasmabeschleunigern ein intensiver Laserstrahl auf ein dünnes Gas gelenkt. Die hohe Intensität entreißt den Gasatomen ihre Elektronen. Sie werden ionisiert. Ein Plasma entsteht. In diesem treibt der Laserstrahl eine Ladungsdichtewelle an. Werden nun zusätzlich Elektronen in diese Welle eingeschossen, reiten sie direkt hinter dem Laser auf der Plasmawelle wie ein Surfer auf dem Meer, gewinnen Energie aus der Welle und werden so beschleunigt. „Es gibt aber drei grundlegende Probleme, die eine Maximalenergie oberhalb von 10 GeV innerhalb einer Beschleunigungsstufe verhindern“, führt Debus aus. „Das Dephasing-, das Depletion- und das Defokussierungs-Limit.“

Für jedes einzelne dieser Limits, existieren heute schon experimentell erprobte Ansätze, um es zu umgehen – jedoch nicht für alle Limits gemeinsam. Auch der Versuch höhere Elektronenenergien durch mehrere, aufeinanderfolgende Beschleunigerstufen zu realisieren, führt oft dazu, dass sich andere Strahlparameter, wie beispielsweise die beschleunigte Ladung, verschlechtern. Debus und sein Team sind die ersten, die alle drei Leistungsbegrenzungen für Laser-Plasmabeschleuniger gleichzeitig und dauerhaft überwinden wollen.

„Wir heben die Naturgesetze natürlich nicht auf“, schränkt der Physiker ein. „Aber wir schlagen einen anderen Aufbau für die Beschleuniger vor, bei dem die bisher limitierenden Gesetzmäßigkeiten keine Rolle mehr spielen.“ Dieser Aufbau basiert auf einer komplexen, präzise ausgefeilten Geometrie: Zwei hochintensive Laserpulse werden von seitlich außen auf ein Gas – das Beschleunigermedium – gerichtet. Während dabei die Laserpulse zylindrisch fokussiert sein müssen, sind die Fronten der Laserpulse in einem bestimmten Winkel verkippt, damit der Kreuzungspunkt beider Laserpulse im Plasma sich mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit entlang der Beschleunigungsstrecke vorwärtsbewegt.

Für die Zukunft der Laser-Plasmabeschleuniger bietet das neue Konzept mehrere Vorteile. Einerseits kann dieser Beschleunigertyp damit immer länger gebaut werden und immer höhere Energien deutlich über 10 GeV erreichen. Andererseits können nun auch niedrigere GeV-Elektronenenergien bei hohen Plasmadichten und gleichzeitig geringerer Laserenergie erzielt werden. Dies ermöglicht es, bei gleicher Laser-Gesamtleistung die Wiederholrate des Elektronenstrahls zu erhöhen.

Laser-Bohrer ermöglicht Weltrekord bei Plasmabeschleunigung mit kompaktem Teilchenbeschleuniger

Im Februar hatten Forscher in Berkeley und Hamburg (DESY) einen Weltrekord aufgestellt: In einer nur 20 cm langen Plasmakapillare beschleunigten die , Wissenschaftler Elektronen auf 7,8 Milliarden Elektronenvolt (Giga-Elektronenvolt, GeV) – ein Wert, für den die modernsten konventionellen Teilchenbeschleuniger mehrere hundert Meter benötigen. Das Team um den damaligen Leiter des Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Centers und heutigen DESY-Beschleunigerdirektor Wim Leemans stellt sein Konzept im Fachblatt Physical Review Letters vor. Ein Plasma ist ein Gas, in dem den Molekülen ihre Elektronen entrissen wurden, so dass sich eine Mischung aus elektrisch positiv geladenen Gasmolekülen und elektrisch negativen Elektronen bildet.

Experimentelle Umsetzung und Simulationen auf Exaflops-Supercomputer

Im nächsten Schritt werden Debus und sein Team das von ihnen vorgeschlagene Konzept im Labor umsetzen. Ziel ist ein funktionierender Laser-Plasmabeschleuniger, mit dem sie die theoretischen Vorhersagen überprüfen können. Parallel dazu wird diese neue Beschleunigerklasse auch theoretisch weiter erforscht. Aktuell verfügbare Rechenressourcen reichen jedoch noch nicht aus, um einen Beschleuniger der 100-GeV bis TeV-Skala auf einem Supercomputer zu simulieren. Dafür wollen die HZDR-Physiker den zukünftigen Großrechner „Frontier“ nutzen, der bis 2021 in den USA am Oakridge National Lab (ORNL) entsteht und bei Fertigstellung der weltweit schnellste Super-Rechner der Welt sein wird. Die Zeichen dafür stehen gut, denn zusammen mit der University of Delaware bilden die Dresdner Physiker eines von acht Teams, das in den kommenden zwei Jahren frühzeitig Zugang zum „Frontier“-Supercomputer erhalten wird.

Weitergehende Informationen zu den drei „D“s der Laser-Plasmabeschleunigung:

    1. Dephasing lässt sich frei mit Phasenverschiebung übersetzen. Dieser Effekt beruht darauf, dass sich die Laserstrahlen im Plasma mit einer geringeren Geschwindigkeit ausbreiten als im Vakuum. Die Elektronen allerdings werden sehr nah an die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Damit sind sie ab einer bestimmten Länge der Beschleunigungsstrecke schneller als die lasergetriebene Plasmawelle, brechen also über kurz oder lang aus der Welle aus. Der Elektronenstrahl muss demnach vor diesem Limit abgegriffen werden, was den erreichbaren Elektronenenergien eine Obergrenze setzt.
    2. Das Depletion-Limit hängt mit der heute üblichen Bauform von Plasma-Teilchenbeschleunigern zusammen. Denn einerseits steigen die erreichbaren Maximalenergien der Elektronen mit der Länge der Beschleunigungsstrecke. Andererseits sinkt aber die Pulsenergie des Lasers auf seinem Weg direkt durch das Plasma hindurch und reicht ab einer gewissen Länge nicht mehr aus, die Elektronen weiter zu beschleunigen.
    3. Der Weg des Lasers in Längsachse durch das Plasma ist auch der Grund für die Defokussierung. Denn mit steigender Entfernung wird es immer schwieriger, den Strahl auf einen Punkt zu konzentrieren. Er fächert auf und kann somit die Plasmawelle nicht mehr treiben. Die Elektronenbeschleunigung hört auf.

    ->Quellen: