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. Dr. 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 an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und am Forschungszentrum Jülich 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 am Institut für Laser- und Plasmaphysik der Universität Düsseldorf durchgeführt und anschließend mit Ergebnissen verglichen, die mit konventionellen Teilchenbeschleunigern gewonnen wurden. Der Düsseldorfer 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. Dr. Oswald Willi die Leistung des Düsseldorfer Hochleistungslasers. „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 den sogenannten Wirkungsquerschnitt erhöhen – die Wahrscheinlichkeit, dass eine Reaktion zwischen zwei aufeinander treffenden Teilchen stattfindet. „Aus der Vergrößerung des Wirkungsquerschnitts können sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben“, erläutert Markus Büscher. „Insbesondere die Energieausbeute von Fusionsreaktoren 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: Laser-Interaktion mit einem Folientarget

Zukunftsprojekt JuSPARC

Die Experimente zur Laser-induzierten Erzeugung polarisierter Strahlen sind ein wichtiger Schritt für die am Forschungszentrum Jülich 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. Wissenschaftler von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf tragen vor allem ihre Expertise im Bereich der Hochenergielaser zu JuSPARC bei.

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

Kontakt

Prof. Dr. Markus Büscher
Institut für Laser- und Plasmaphysik
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