Beschleuniger im Bonsai-Format

Technologieforschung

Computerchips brauchen dank technischem Fortschritt immer weniger Platz. Dieser Trend zur Miniaturisierung könnte bald auch die Teilchenphysik erfassen. US-amerikanische Forscher arbeiten an einer neuartigen Technik, die längerfristig zu kleineren und günstigeren Beschleunigern in der physikalischen Grundlagenforschung, aber auch für medizinische Anwendungen führen könnte.

In derartigen Glaschips werden Elektronen durch einen Laser beschleunigt.
Image: SLAC

Der Teilchenbeschleuniger LHC am Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) in Genf beeindruckt allein durch seine Dimensionen: Die Forschungsapparatur besteht aus einem 27 Kilometer langen Tunnel unter der Erde, vollgestopft mit Spitzen-Technologie. Diese Grösse ist bisher erforderlich, um Protonen auf sehr hohe Energie beschleunigen und bei ihrem Zusammenprall die dabei entstehenden Elementarteilchen in ihrem kleinsten Dimensionen untersuchen zu können.

Kleiner und günstiger

In Zukunft könnten solche Experimente in wesentlich kleineren und wesentlich günstigeren Anlagen durchgeführt werden. So zumindest die Hoffnung, die ein US-amerikanisches Forscherteam vor kurzem mit einer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift 'Nature' geweckt hat. „Wir müssen noch eine ganze Anzahl von Hürden überwinden, bevor wir unsere Technologie im richtigen Leben einsetzen können. Aber wenn dies gelingt, könnten wir Grösse und Kosten künftiger Hochenergie-Teilchenbeschleuniger zur Untersuchung der elementaren Teilchen und Kräfte massgeblich verringern“, sagt der SLAC-Physiker Joel England in einem Bericht der Fachplattform 'Interactions News Wire'.

Die neue Beschleunigertechnologie wird vom US-amerikanischen Forschungszentrum SLAC gemeinsam mit der kalifornischen Stanford University und dem für Forschung zuständigen US-Department of Energy erarbeitet. Die Grundidee besteht darin, Elektronen mit einem Laser in einem geraden, sehr schmalen Kanal aus vielen aneinandergereihten Glaschips zu beschleunigen. Damit würde ein Beschleuniger, der heute gut 3 km lang ist, auf gerade mal 30 m schrumpfen. Bereits ist es gelungen, auf diese Art Elektronen pro Meter eine Energie von 300 Millionen Elektronenvolt (eV) zuzuführen. Die Zielmarke der Forscher liegt bei 1 Milliarde eV pro Meter.

Wie bei herkömmlichen Beschleunigern werden die Teilchen auch bei dem Beschleuniger neuen Typs in einer ersten Stufe mit konventioneller Technologie auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Anschliessend werden sie aber nicht – wie z.B. im LHC in Genf – in einen grossen Speicherring geleitet und dort mit zusätzlicher Energie versehen. Statt in den Speicherring gelangen die Teilchen hier vielmehr in einen dünnen, nur einen halben Mikrometer dicken Glaschip, der mit kleinsten Strukturen im Nanomassstab versehen ist. Wird der Chip mit einem Infrarot-Laser bestrahlt, werden elektrische Felder erzeugt, die in dem Chip mit den traversierenden Elektronen wechselwirken und deren Energie erhöhen.

Chips aneinander reihen

„Die Entwicklung der amerikanischen Kollegen ist sehr interessant. Sie haben den Proof of concept erbracht, dass mit einem Laser tatsächlich Elektronen beschleunigt werden können“, sagt PD Dr. Hans Peter Beck, Schweizer Teilchenphysiker am CERN und Physikdozent an der Universität Bern. „Bis daraus ein funktionstüchtiger Beschleuniger wird, wird es allerdings noch eine Weile dauern. Bisher gelingt die Beschleunigung nämlich erst in einem einzelnen Chip auf einer Strecke von einem halben Millimeter. Eine wichtige Herausforderung wird daher darin bestehen, mehrere Chips so aneinanderzureihen, dass genügend viele Elektronen während ihrer Reise durch den Linearbeschleuniger auf hohe Energien beschleunigt werden können.“

Weiter Informationen (in englischer Sprache) und Fotos finden Sie hier.

Benedikt Vogel (veröffentlicht 6. 10. 2013)

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