Teilchenkanone im Schuhkarton

Wenn Sie bei Teilchenbeschleunigern an gigantische Anlagen und kilometerlange Röhren denken, müssen Sie wahrscheinlich bald umdenken. Peter Hommelhoff, Laserphysiker an der Universität Erlangen-Nürnberg, braucht keine riesigen Magneten, die auf minus 271 Grad Celsius gekühlt werden müssen. Er braucht keinen kilometerlangen Ringtunnel, wie er sich am Forschungszentrum Cern durch das Jura-Gebirge fräst.

Ihm reicht: eine wenige Zentimeter große Glasplatte, auf die er winzige Rillen gekratzt hat, Laserlicht, um das Glas von unten zu bestrahlen – und schließlich eine Quelle für den Teilchenstrahl, beispielsweise ein Elektronenmikroskop. Fertig ist der Teilchenbeschleuniger. "Die Miniaturisierung der Beschleuniger kann man mit der Entwicklung von Computern vergleichen, die ursprünglich ganze Räume einnahmen und nun am Handgelenk getragen werden", sagt Hommelhoff. Beschleuniger auf jedem Labortisch würden die Teilchenphysik auf eine völlig neue Stufe heben, weil nahezu jeder mit ihnen arbeiten könnte. Unerwartete Durchbrüche in Biologie, Materialforschung und Medizin wären denkbar.

Noch allerdings scheint die Behauptung absurd angesichts des Aufwandes, den Forscher heute betreiben müssen, um Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Mehr als 26 Kilometer lang ist der Large Hadron Collider (LHC), der weltweit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger am Genfer Cern. 1232 Magnete mit jeweils 15 Metern Länge sind nötig, um die Protonen darin auf eine Kreisbahn zu zwingen. Ursache für die Gigantomanie sind physikalische Gesetze: Die großen Beschleuniger verwenden elektromagnetische Felder, um positiv oder negativ geladene Teilchen auf Trab zu bringen.

Partikel flitzen dabei durch eine Vakuumröhre und spüren ein wechselndes Mikrowellenfeld. Dessen Frequenz ist so eingestellt, dass die Teilchen – egal wo sie sich befinden – vor sich stets eine anziehende Kraft verspüren. Auf diese Weise werden sie schneller und schneller. Magnetische Felder halten die Teilchen auf ihrer Kreisbahn. Die Felder können allerdings nicht beliebig groß ausfallen. Irgendwann stößt die Elektronik an ihre Grenzen, Funken fliegen, die Beschleunigerstrecke wird zerstört.

Die Teilchen müssen daher vom Start bis zu ihrem Ziel einen möglichst weiten Weg zurücklegen. Oder sie drehen – wie am LHC – Runde um Runde in einem viele Kilometer langen Ring. Dessen Krümmung kann nur so klein gebaut werden, wie es die Umlenkmagnete gerade noch zulassen. Erst wenn die Teilchen genügend Energie aufgenommen haben, prallen sie am Ende mit maximaler Geschwindigkeit zusammen. Zehn Jahre hat es daher gedauert, bis das Monstrum LHC einsatzbereit war. Gut drei Milliarden Euro flossen in das Projekt. Die Arbeit mit beschleunigten Teilchen ist daher einem exklusiven Club von Wissenschaftlern vorbehalten.

Wenn es nun Forschern gelingt, das Monstrum zu schrumpfen, hätte das nachhaltige Folgen für die Wissenschaft. Von der Hoffnung auf überraschende Erkenntnisse ließ sich auch die Stiftung von Gordon Moore, Mitbegründer des Chipherstellers Intel, anstecken. Sie investiert 13,5 Millionen Dollar in die Idee. Entsprechend hoch sind die Erwartungen: Das Ziel ist die Größe eines Schuhkartons, um den Teilchenbeschleuniger problemlos auf einem Labortisch aufbauen zu können. Statt jahrelang auf eine Experimentiermöglichkeit in Genf zu warten, sollen Biologen, Materialexperten und Physiker künftig in der Lage sein, im heimischen Institut präzise Teilchenstrahlen zu produzieren. In fünf Jahren soll ein erstes experimentelles Modell fertig sein. "Wir können die Teilchenbeschleunigung hoffentlich für Forschungsgruppen nutzbar machen, die vorher keinen Zugang zu dieser Technik hatten", sagt Hommelhoff.

So hoffen Mediziner, die beschleunigten Partikelstrahlen besser im Kampf gegen den Krebs einsetzen zu können. Denn anders als Röntgenstrahlen geben beschleunigte Teilchen ihre zerstörerische Energie erst dann an krankes Gewebe ab, wenn sie beim Durchdringen des Körpers eine bestimmte Geschwindigkeit unterschreiten. Ein großer Vorteil, denn so wird das Gewebe, das sie vorher passieren, kaum geschädigt, und auch das hinter dem Tumor liegende bleibt weitgehend strahlungsfrei. Bisher existieren zwar entsprechende Anlagen – aber nur ganz wenige, weil der Aufwand für sie gigantisch ist.

Zudem lässt sich mit der Technologie tief ins Innere von Materie schauen. Werden energiereiche Elektronen von ihrem geraden Weg abgelenkt, entsteht intensive Röntgenstrahlung. Je größer die Energie der beschleunigten Elektronen, desto tiefer kann die erzeugte Röntgenstrahlung dabei eindringen, und desto besser lässt sich deren Struktur aufklären.

Um ihr Ziel zu erreichen, greifen die Physiker zu einem Trick: Sie nutzen Licht zum Beschleunigen. Lange Zeit hat sich das Licht sämtlichen derartigen Experimenten verweigert – bis zwei Forscher vor drei Jahren unabhängig voneinander den Durchbruch vermelden konnten: Der eine war Hommelhoff aus Erlangen, der zweite Robert Byer von der kalifornischen Universität Stanford. Bei ihren Experimenten schicken die Forscher einen Teilchenstrahl (zum Beispiel Elektronen) direkt über eine Glasplatte, die von unten mit Laserlicht bestrahlt wird. Die Lichtwellen erfassen die Teilchen und werfen sie hin und her. Wie ein Ball auf hoher See schaukeln die Elektronen dabei aber nur auf und ab. Sie werden nicht nach vorn beschleunigt.

Um das zu ändern, kratzen die Forscher in genau berechneten Abständen senkrecht zur Flugrichtung der Elektronen kleine Rillen in das Glas. Das Laserlicht muss darin eine kürzere Strecke zurücklegen, die Position seiner Wellen über der Platte verschiebt sich. Werden die Rillen richtig angeordnet, dann erwischen die Teilchenbälle auf ihrem Weg übers Glas stets ein Wellental. Sie werden kontinuierlich beschleunigt. Der Geschwindigkeitsgewinn ist tatsächlich vergleichbar mit konventionellen Beschleunigern.

Hommelhoff nutzt bei seinen Experimenten langsame Teilchen aus einem Elektronenmikroskop. Sein US-Kollege Byer hingegen setzt auf Elektronen, die bereits annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht haben. Noch schneller konnte der Amerikaner diese Elektronen zwar nicht machen – die Lichtgeschwindigkeit bleibt eine absolute Grenze. Er gab ihnen aber einen zusätzlichen Energieschub mit, der etwa zehnmal so stark ist wie am drei Kilometer langen Linearbeschleuniger in Stanford. Kombiniert könnten beide Ansätze Elektronen aus dem Stand auf Energien bringen, die Physiker für ihre Experimente benötigen.

Noch gibt es allerdings viel zu tun. Der Abstand der Rillen beispielsweise ist nicht perfekt. Passend zur Geschwindigkeit der Elektronen müsste eigentlich alle 250 Nanometer (Millionstel Millimeter) eine Kerbe ins Glas geritzt werden. Bislang sind solch filigrane Rillen allerdings nicht machbar, sodass sich die Forscher mit einem Abstand von 750 Nanometern zufriedengeben müssen. Zudem ist der Abstand der Kerben auf dem gesamten Glasplättchen gleich, obwohl die Elektronen an Geschwindigkeit zulegen. Immer wieder verpassen sie dadurch das nächste Wellental. Der Beschleunigungsvorgang bricht ab.

Der Elektronenstrahl muss zudem stärker gebündelt werden, sodass sein Durchmesser etwa um den Faktor 1000 schrumpft. Andernfalls sind Teile der Elektronen zu weit von der Glasplatte entfernt, um von der Beschleunigungskraft des Lichts zu profitieren. Allerdings stoßen sich Elektronen gegenseitig ab und sind daher schwer zu zähmen. Und die einzelnen Beschleunigungseinheiten, die die Elektronen auf ihrem Weg zu höherer Energie durchlaufen sollen, müssen aufeinander abgestimmt werden.

Hommelhoffs und Byers Experimente sind indes nicht der einzige Ansatz, um Teilchen mithilfe von Licht in Schwung zu bringen. Auch ein Plasma, in dem positiv geladene Protonen und negative Elektronen voneinander getrennt sind, verspricht großes Potenzial. Jagen Physiker einen starken Laserblitz durch solch ein Gemisch, wirft er die leichten Elektronen vorübergehend aus der Bahn. Die schwereren Protonen verharren hingegen an ihrem Platz. Es entsteht eine positiv geladene Blase, die sich gemeinsam mit dem Laserstrahl im Plasma fortbewegt. Die verdrängten Elektronen versuchen, diese Lücke schnell wieder zu füllen – vor allem am hinteren Ende der Blase. Werden nun zusätzliche Elektronen zum passenden Zeitpunkt in die sich schließende Blase geschickt, können sie wie ein Surfer auf den nachströmenden Teilchen reiten und dabei eine höhere Energie erreichen als der ursprüngliche Laserstrahl. Da die Turbulenzen hinter dem Lichtpuls an die Kielwelle eines Schiffs erinnern, wird das Verfahren auch Kielfeld-Beschleunigung genannt.

Wim Leemans vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien ist es auf diese Weise gelungen, in einer kleinen Röhre namens Bella Elektronen auf annähernd die gleiche Energie zu bringen wie der größte deutsche Teilchenbeschleuniger Desy. Während sich der Desy-Ring 6,7 Kilometer lang durch den Hamburger Untergrund zieht, ist Leemans' Röhrchen nur neun Zentimeter lang.

Noch ist die Plasmabeschleunigung – genauso wie Hommelhoffs Glasplättchen – weit entfernt von einem Praxiseinsatz. Sie benötigt extrem starke und kurze Laserstrahlen, Temperatur und Dichte des Plasmas müssen exakt stimmen. Zudem ist unklar, wie der Elektronenstrahl aus einem Beschleunigermodul am besten in die nächststärkere Einheit geführt werden kann, um schrittweise höhere Energien zu erzielen. Zwei Mini-Beschleuniger konnten Leemans und sein Team immerhin schon koppeln, wie die Forscher Anfang 2016 im Fachmagazin "Nature" berichtet haben. Auf hohe Energien haben sie dabei bewusst verzichtet. "Es ging allein um die Stabilität", sagt Sven Steinke, der Autor der Studie. Im nächsten Schritt hoffen sie, mit zwei Modulen auch die doppelte Energie zu erreichen.

Die vielen Ansätze zeigen: Dass die Mini-Beschleuniger kommen, ist keineswegs unwahrscheinlich. Völlig offen ist jedoch, ob sie am Ende in einen Schuhkarton passen, eher einen Umzugskarton benötigen oder vielleicht sogar in einer Streichholzschachtel Platz finden. Für Hommelhoff steht diese Frage ohnehin nicht im Vordergrund. "Es geht", sagt der Laserphysiker, "vor allem darum, einen Prototyp zu bauen und zu zeigen, dass Teilchenbeschleuniger viel kleiner ausfallen können, als wir sie bislang kennen." (bsc)