10 bahnbrechende Technologien: Im Kielwasser des Lichts
Günstige Teilchenbeschleuniger im Kleinstformat könnten den riesigen, milliardenteuren Großanlagen schon bald Konkurrenz machen.
Aufbau des Mini-Teilchen-beschleunigers am Lawrence Berkeley National Laboratory.
(Bild: Marilyn Chung/Lawrence Berkeley National Laboratory)
- Alexander Stirn
Wer tief ins Innerste der Materie blicken will, in das filigrane Zusammenspiel winzigster Elementarteilchen, braucht dafür riesige Maschinen. Zumindest bislang: Knapp 27 Kilometer misst der LHC, der Large Hadron Collider – ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger, an dem 2012 die Existenz des Higgs-Bosons bestätigt werden konnte. Davon abgesehen ist die physikalische Ausbeute des LHC allerdings mau. Kein Wunder, dass die Verantwortlichen bereits von einem neuen, noch leistungsfähigeren Beschleuniger träumen. Hundert Kilometer lang soll er werden. Geschätzte Kosten: bis zu 25 Milliarden Euro.
Es geht aber auch kleiner: Längst hat sich eine Gegenbewegung zum Beschleuniger-Gigantismus formiert – mit vielversprechenden Ergebnissen. Ihr Ziel: ein Beschleuniger kaum größer als ein Schuhkarton. Ihre Geheimwaffe: ein Plasma. In dem gasähnlichen Aggregatzustand sind einigen oder allen Molekülen ihre Elektronen entrissen. Zurück bleiben positiv geladene Atomrümpfe, sogenannte Ionen, und frei herumschwirrende negative Elektronen. Zwischen ihnen bilden sich elektrische Felder, die Kräfte auf geladene Teilchen ausüben. Genau das, was in einem Beschleuniger benötigt wird. Was im LHC mit gigantischen äußeren elektrischen Feldern und einem riesigen Tunnel erreicht wird, geht damit auf kleinem Raum: den Teilchen den nötigen Kick zu verpassen, um sie mit großer Geschwindigkeit kollidieren zu lassen.
Dafür hat Plasma ein anderes Problem: Die Felder zwischen ihren positiv und negativ geladenen Teilchen sind ungeordnet, sie entstehen spontan und verschwinden genauso schnell wieder. Physiker müssen daher Ordnung ins Chaos bringen. Sie versuchen das zum Beispiel mit einem starken Laserstrahl, der durchs Plasma pflügt und die Ladungen trennt. Wie ein Schnellboot zieht der Laserpuls dabei in seinem Kielwasser eine Plasmawelle hinter sich her, auf der Elektronen surfen können. Das führt zu einem spektakulären Nebeneffekt: Die Beschleunigungswerte liegen viele hundert Mal höher als die konventioneller Teilchenbeschleuniger.
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