18.10.2018 Chemiker surfen auf Beschleunigerwelle mit

Ordan/CERN Elektronenstrahlrohr des AWAKE-Experiments

„Nature“-Veröffentlichung: Marburger Forscher tragen zur Entwicklung neuartiger Teilchenbeschleuniger am CERN bei

Marburger Chemiker ebnen den Weg zu einem neuen Typ von Teilchenbeschleuniger, in dem Elektronen auf kürzerer Strecke höhere Beschleunigungen erreichen als bislang möglich. Chemieprofessor Dr. Florian Kraus und sein Doktorand Lars Deubner beteiligten sich an einem Experiment des internationalen „AWAKE“-Konsortiums, das am Teilchenbeschleuniger CERN in der Schweiz ein neuartiges Konzept testete – mit Erfolg. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungsverbunds berichten in der aktuellen Ausgabe des Magazins „Nature“ über ihre Ergebnisse.

Teilchenbeschleuniger wie am CERN tragen entscheidend zu einem tieferen Verständnis von Elementarteilchen und der fundamentalen Kräfte bei, die deren Wechselwirkungen steuern. Der Wunsch, mit immer höheren Energien zu arbeiten, führt zu immer leistungsfähigeren Beschleunigern. „Die Experimente des ‚Awake‘-Konsortiums richten sich auf die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern“, sagt Florian Kraus, Chemieprofessor an der Philipps-Universität Marburg und Ko-Autor der aktuellen Veröffentlichung.

Um ein neues Beschleunigungssystem zu entwickeln, das auf gleicher Länge mit erhöhter Energie arbeitet und die Größe des Beschleunigers dadurch begrenzt, setzt der „Awake“-Verbund auf  das Plasma-Kielfeld-Konzept – so genannt, weil es auf einem Gas aus geladenen Teilchen basiert, dem Plasma. In diesem wird eine Welle erzeugt, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Plasma wandert wie das Kielwasser eines Schiffes durch die See. Auf dieser Welle wird ein Teilchenstrahl kontinuierlich beschleunigt – einem Surfer vergleichbar, der auf einer Welle reitet.

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Jorge Vieira/IST Lisbon, Portugal

Bild: Jorge Vieira/IST Lisbon, Portugal

Durch dieses Surfen auf der Kielwelle erreichen die Teilchen auf einer Strecke von einem Zentimeter dieselbe Beschleunigung, für die andere Beschleunigertypen mindestens 30 Meter benötigen“, erläutert Kraus.

Das „Advanced-Wakefield-Experiment“ (AWAKE) am CERN verwendet Protonenstrahlen, um ein Kielfeld in einem 10 Meter langen Plasma anzutreiben. Dieses Plasma beruht auf dem Gas des hochreaktiven Alkalimetalls Rubidium, das durch einen Laserstrahl ionisiert, also mit einer elektrischen Ladung versehen wird. „Wir haben die Physiker beim Umgang mit Rubidium beraten“, beschreibt Ko-Autor Lars Deubner die Aufgabe des Marburger Teams. Die Chemiker testeten zum Beispiel in Experimenten, wie sich Rubidium in der Versuchsanordnung verhalten würde, und leiteten daraus ab, wie die Anlage gebaut werden müsse.

Die Studie, die auf den Experimenten am CERN basiert, präsentiert erstmals Daten zu dem neuen Typus des Kielfeld-Beschleunigers. Die Federführung lag bei Professor Dr. Allen Caldwell und Dr. Patric Muggli vom Max-Planck-Institut für Physik in München.

Darüber hinaus beteiligen sich zahlreiche Forscherinnen und Forscher aus 21 Hochschulen und Forschungseinrichtungen in aller Welt am „Awake“-Verbund. „Unsere Ergebnisse sind ein großer erster Schritt zur Entwicklung künftiger hochenergetischer Teilchenbeschleuniger“, fassen die Autorinnen und Autoren zusammen.

Professor Dr. Florian Kraus lehrt Anorganische Chemie an der Philipps-Universität und leitet die Arbeitsgruppe Fluorchemie. Seit Anfang des Jahres 2018 fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft sein Projekt „Fluorchemie unter Hochdruck“ durch ihr „Reinhart Koselleck-Programm“.

Originalveröffentlichung: F. Keeble & al.: First acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch, Nature 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0485-4

Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik, München
Pressemitteilung des CERN