Laser-Plasmabeschleuniger ohne Limits

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 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.

Bislang lassen sich mit den kompakten Geräten die Elektronen in einem Durch­gang bis auf zehn Giga­elektronen­volt beschleunigen. Von Energien für grund­legende Teilchen­physik im Bereich einiger Tera­elektronen­volt sind Laser-Plasma­beschleuniger aktuell noch einige Größen­ordnungen weit entfernt. Das wollen Debus und sein Team ändern. Dafür haben die Forscher ein neu­artiges Konzept entwickelt. 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.

Um Elektronen zu beschleunigen, wird bei aktuellen Plasma­beschleunigern ein intensiver Laser­strahl auf ein dünnes Gas gelenkt. Die hohe Intensität ionisiert die Gasatome, 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, 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“, erläutert Debus aus. „Das Dephasing-, das Depletion- und das Defokus­sierungs-Limit.“

Für jedes einzelne dieser Limits existieren 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“, betont der Forscher, „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. Das ermöglicht es, bei gleicher Laser-Gesamt­leistung die Wieder­hol­rate des Elektronen­strahls zu erhöhen.

Im nächsten Schritt wollen 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.

HZDR / RK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  A. Debus et al.: Circumventing the dephasing and depletion limits of laser-wakefield acceleration, Physical Review X, 9, 031044 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031044
• Abt. Laser-Teilchenbeschleunigung (A. Debus), Institut für Strahlenphysik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf