25 Fuß unter der Erde öffnet der Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory, Spencer Gessner, einen großen Picknickkorb aus Metall. Dies ist kein typischer Picknickkorb voller Käse, Brot und Obst – er enthält Schrauben, Bolzen, Stahlrohre und viele andere Teile und Teile, die Partikel nahezu mit Lichtgeschwindigkeit transportieren. Die Komponenten sind präzise angeordnet, um eine wichtige Aufgabe zu erfüllen: Sie tragen dazu bei, Bündel sich schnell bewegender Elektronen in den Stoff einzuspeisen, aus dem die Sonne besteht: das Plasma.
„Wir versuchen hier unten die nächste Generation kleiner, leistungsstarker Teilchenbeschleuniger zu bauen“, sagt Gessner. „Ziel ist es, Teilchen über kürzere Entfernungen auf höhere Energien zu bringen. Dies könnte dazu beitragen, kompakte Beschleuniger zu entwickeln, die in ein Universitätslabor oder Krankenhaus passen – oder in Zukunft eine Option für einen Hochenergie-Teilchenbeschleuniger sein.“
Gessner und viele andere Forscher am SLAC und auf der ganzen Welt wollen zukünftige Beschleuniger 100 bis 1.000 Mal kleiner als herkömmliche Beschleuniger machen. Das Ziel besteht nicht unbedingt darin, die leistungsstärksten Beschleunigeranlagen der Welt zu ersetzen, sondern vielmehr eine neue Option für Menschen und Orte bereitzustellen, die Zugang zur Beschleunigerwissenschaft suchen, und möglicherweise bestehende hochmoderne Beschleuniger zu verbessern. Beispielsweise könnten kleinere, weniger leistungsstarke Röntgenlaser mit freien Elektronen (XFELs) in den Händen von viel mehr Wissenschaftlern ein fortschrittliches wissenschaftliches Werkzeug zur Erforschung von Materie auf atomarer Ebene sein.
Gessner arbeitet an der Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests II (FACET-II) des SLAC, die sich hauptsächlich auf eine Technik namens Plasma-Wakefield-Beschleunigung konzentriert. Bei der Plasma-Wakefield-Beschleunigung schicken Forscher Teilchenstrahlen durch Plasma – ein extrem heißes ionisiertes Gas, das wie die Sonne oft aus Helium- oder Wasserstoffionen besteht.
„Wenn der Strahl durch das Plasma geht, entsteht ein Kielwasser – ähnlich dem Kielwasser, das hinter einem Boot entsteht, das durch das Wasser eines Sees rast“, sagte Gessner. „Wir können dann Elektronen in die Plasmaspur injizieren und diese Teilchen reiten auf der Welle und erreichen über kürzere Distanzen höhere Energien.“
FACET-II nutzt einen Teil des zwei Meilen langen Linearbeschleunigers des SLAC, um diese Elektronenstrahlen zu erzeugen. Auf ihrem Höhepunkt sind die Strahlen so intensiv, dass kein Material ihnen standhalten kann. Die extremen Felder des Strahls würden den Atomen Elektronen entreißen und jegliches Material im Weg des Strahls sofort verdampfen lassen. Die Lösung besteht darin, zunächst mit einem Plasma zu beginnen, das die Einschränkungen herkömmlicher Materialien aufhebt und eine sehr hohe Beschleunigung ermöglicht.
Aber Teilchen auf kürzere Entfernungen auf extrem hohe Energien zu bringen, bringt viele herausfordernde Probleme mit sich. Forscher machen weiterhin Fortschritte, um diese Probleme zu lösen und das, was wie Science-Fiction klingt, in die Realität umzusetzen.
Vergangenheit und Zukunft der Plasmabeschleunigungsforschung
Die experimentellen Arbeiten zur Plasma-Wakefield-Beschleunigung begannen am SLAC vor etwa zwanzig Jahren, obwohl das allgemeine Konzept bereits seit den späten 1970er und frühen 1980er Jahren in Veröffentlichungen diskutiert wurde. Weltweit gibt es drei Haupttypen der Plasma-Wakefield-Forschung, die nach der Energiequelle gruppiert werden, die den Wakefield erzeugt: entweder ein Elektronenstrahl, ein Hochleistungslaserstrahl oder ein Protonenstrahl.
Eine der ersten Fragen, die die Forscher beantworten mussten, sei, ob es überhaupt möglich sei, die theoretische Idee von Plasma-Wakefields im Labor in die Realität umzusetzen, sagte FACET-II-Direktor Mark Hogan. Forscher konnten diese Aufgabe Ende der 1990er Jahre am SLAC erfüllen und waren die ersten, die die GeV-Grenze durchbrachen, das Energieniveau, das normalerweise nur bei sehr großen Anlagen auftritt. Sie nahmen eine Handvoll Elektronen und beschleunigten sie mithilfe von Plasma-Wakefields auf sehr hohe Energien.
Hogan sagte, dass die Forscher dann vor der nächsten großen Frage standen: Wie komme man von einer Handvoll Teilchen mit einem breiten Energiespektrum zu einem Teilchenstrahl mit einer relativ geringen Energieverteilung? Das bedeutet, dass die Elektronen nicht überall in einem Beschleuniger verstreut sind, sondern dass sie sich in einem dichten Paket zusammen bewegen. Forscher haben diese Aufgabe in den 2010er Jahren bei FACET, der Einrichtung vor FACET-II, gelöst, sagte Hogan.
„Die Frage für FACET-II ist nun, ob man all diese Dinge auf einmal tun kann – die großen Felder nutzen, um hochenergetische Strahlen mit geringer Energieverteilung zu erzeugen – und außerdem einen qualitativ hochwertigen Strahl über größere Entfernungen erzeugen kann“, sagte Hogan . „Dies ist eine Schlüsselfrage, die wir derzeit bei FACET-II untersuchen: Können wir die Qualität von Elektronenstrahlen bewahren, wenn wir ihre Energie über bedeutende Entfernungen sehr schnell steigern?“
Noch weiter in die Zukunft blickend müssen Wissenschaftler herausfinden, wie viele Plasmabeschleunigerabschnitte aneinandergereiht werden können, um unglaublich hohe Energien zu erreichen, die für die zukünftige Collider-Teilchenphysik erforderlich sind. „Während man zum Bau eines XFEL, der auf Plasma-Wakefield-Beschleunigung basiert, möglicherweise nur eine Plasmastufe benötigt, braucht man viele Stufen, um Energie auf Teilchenbeschleunigerniveau zu erreichen“, sagte Hogan.
Steuerung der Strahlhelligkeit
Anfang dieses Jahres machte ein Team des SLAC, der University of Strathclyde und anderer Institutionen einen großen Fortschritt in der Forschung zur Plasma-Wakefield-Beschleunigung. Sie entwickelten eine Computersimulation, die zeigte, wie ein Plasmabeschleuniger durch Steuerung der Strahlhelligkeit präzise und qualitativ hochwertige Elektronenstrahlen erzeugen kann.
Die Steuerung der Strahlhelligkeit ist eine Herausforderung, da es drei Schlüsselparameterwerte gibt, die sich über den Weg, auf dem sich die Partikel bewegen, erheblich ändern. Das Modell des Teams zeigte, wie diese Parameter bereits zu Beginn des Experiments optimiert werden können, wenn sich der Strahl noch im Plasma befindet.
Konkret berechnete das Forschungsteam, wie die Elektronenhelligkeit durch die Steuerung des Strahlstroms gesteuert werden kann, der beschreibt, aus wie vielen Elektronen der Strahl besteht; Emittanz, also die Art und Weise, wie sich die Elektronen ausbreiten, während sie sich durch den Raum ausbreiten; und Energieausbreitung, die den Bereich der Geschwindigkeiten der Elektronen beschreibt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Naturkommunikation.
„Mit diesem Modell können wir testen, wie wir die Emission und Helligkeit des Elektronenstrahls in unserem kompakten Design vielleicht um Größenordnungen verbessern können“, sagte Hogan, Mitautor des Papiers. „Das Extrahieren von Elektronenstrahlen aus Plasmabeschleunigern unter Beibehaltung ihrer Qualität ist sowohl für unsere Mission der Hochenergiephysik als auch für die Röntgenwissenschaft von entscheidender Bedeutung.“
In Zukunft werden Forscher versuchen, Hybridkonfigurationen eines kompakten XFEL zu bauen – eine Version, die die Interaktion zwischen mehreren Röntgenlaserpulsen und ultrahellen Strahlen ermöglichen könnte. FACET-II könnte der Ort sein, an dem diese Hybridideen getestet werden könnten, nachdem nun das durchgängige Simulationsgerüst etabliert sei, sagten die Forscher.
Eine lange Bühne bereiten
Ein weiterer Fortschritt in der Plasma-Wakefield-Beschleunigungsforschung kam kürzlich, als Forscher zeigten, wie man Plasmabeschleunigerstufen aneinanderreiht, um einen längeren, leistungsstärkeren Beschleuniger zu schaffen. Mit einem solchen Beschleuniger könnten in Zukunft extrem energiereiche Strahlen an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden.
Das Forschungsteam, zu dem der SLAC-Wissenschaftler Alexander Knetsch und Forscher des Polytechnischen Instituts von Paris und anderer Institutionen gehörten, zeigte, wie man mehrere Antriebsstrahlen nutzen kann, um die Strahlqualität aufrechtzuerhalten und die Energie zu erhöhen.
Bei ihrer Methode führt ein Antriebsstrahl den Weg durch das Plasma und erzeugt einen Nachlauf – die Standardidee bei der Plasma-Wakefield-Beschleunigung. Hinter diesem Antriebsstrahl folgt der Primärelektronenstrahl, der sogenannte Schleppstrahl, der für Experimente auf hohe Energien gebracht wird – wiederum der Standardansatz. Aber mit der Zeit verliert der Antriebsbalken Energie – so wie ein Radfahrer an der Spitze Energie verliert, nachdem er gegen den Wind für die Fahrer hinter ihm gekämpft hat. Das Forschungsteam zeigte daher, wie man den alten, müden Antriebsbalken durch einen neuen, frischen Antriebsbalken ersetzen kann. Diese Technik hilft dem nachlaufenden Elektronenstrahl, weiterhin Energie zu gewinnen.
Der Austausch des alten Antriebsbalkens gegen einen neuen ist jedoch schwieriger als der Austausch eines führenden Radfahrers bei einem Radrennen. Der alte Fahrbalken bewegt sich immer noch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Um den Wechsel zu bewerkstelligen, nutzt die Methode Dipolmagnete, die eine Schikane bilden – also zwei Straßen, eine länger als die andere, die nach der Trennung aufeinander treffen. Schikanen ermöglichen es dem Antriebsbalken, aus dem Weg zu gehen, während der Hinterbalken mit einem neuen Antriebsbalken weiterfährt.
Darüber hinaus zeigten die Forscher, wie man dieses Strahlpaket mithilfe von Fokussierungslinsen durch jede Plasmastufe transportieren kann, die dabei helfen, dass der nachlaufende Strahl auf dem Weg bleibt, während der Antriebsstrahlwechsel stattfindet. Die Forscher veröffentlichten im September einen Artikel, in dem sie die Idee beschreiben Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Eine weitere Idee für einen kompakten Beschleuniger
Neben der Plasma-Wakefield-Beschleunigung haben Forscher weitere Ideen für die Beschleunigung von Teilchen auf kürzeren Distanzen. Eine dieser Ideen wird an der Arizona State University (ASU) in Zusammenarbeit mit Emilio Nanni vom SLAC und anderen entwickelt. Das Design verwendet Laser – und nicht nur Magnete –, um Elektronen innerhalb eines XFEL zu bewegen und so leistungsstarke Röntgenstrahlen zu erzeugen, die für Experimente benötigt werden.
In herkömmlichen XFELs bewegen starke Magnete einen Teilchenstrahl hin und her, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Die Magnetreihe kann lang sein, was bedeutet, dass die gesamte FEL-Länge lang sein wird. Aber was wäre, wenn ein FEL nicht eine vollständige Reihe von Magneten benötigen würde, um Teilchen zum Tanzen zu bringen und Röntgenstrahlung auszusenden? Dies ist die Frage, die zum Entwurf des kompakten XFEL geführt hat, bei dem ein Laserstrahl auf den Teilchenstrahl trifft und so dazu beiträgt, dass der Strahl wackelt und starke Röntgenstrahlen erzeugt. Die Laser bedeuten, dass möglicherweise weniger Wiggler-Magnete benötigt werden, was zu einem insgesamt kürzeren FEL führt, wenn die Idee in der Praxis aufgeht.
Der kompakte XFEL wird innerhalb der nächsten fünf Jahre auf dem ASU-Campus in Tempe gebaut. Der Bau kleiner, kompakterer Beschleuniger sei eine gute Sache für die Wissenschaft, sagten Forscher. Dies bedeutet, dass mehr Menschen und Orte Zugang zu Teilchenbeschleunigern haben, die in den letzten 100 Jahren eines der wichtigsten Werkzeuge der Wissenschaft waren.
Das Ende der Linie
Zurück im Beschleunigertunnel schließt Spencer Gessner den Deckel des Picknickkorbs und geht auf einen langen Tisch zu. Hier steht Doug Storey, ein Kollege des SLAC, an einem Laptop und überprüft die Strahlleistungsdaten. Der Tisch wird „Beam Dump Table“ genannt und ist der primäre Post-Plasma-Diagnosebereich, um zu messen, was mit dem Elektronenstrahl nach der Plasma-Wakefield-Beschleunigung passiert ist, sagte Storey.
„An diesem Tisch trifft sozusagen der Gummi auf die Straße“, sagte er. „Es verfügt über eine Reihe von Diagnosekameras, die die Schlüsselparameter messen, die für die erfolgreiche Demonstration der Plasma-Wakefield-Beschleunigung erforderlich sind.“
Die Kameras auf dem Tisch sehen aus wie Stoppschilder an einer Kreuzung. Sie sind auf Stäben montiert und in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet. Sie sammeln jeweils unterschiedliche Arten von Daten über die Energie des beschleunigten Strahls auf den Bruchteil eines Prozents genau und über die Punktgröße des Strahls auf weniger als ein paar Mikrometer genau, was Schlüsselindikatoren für die Strahlhelligkeit sind , sagte Storey. Darüber hinaus erfassen einige der Kameras die Röntgen- und Gammastrahlen, die entstehen, wenn der Strahl durch das Plasma wandert. Diese Informationen helfen Wissenschaftlern zu verstehen, wie die Qualität der Plasmabeschleunigung verbessert werden kann, sagte Storey.
Storey blickt wieder auf seinen Laptop und beginnt wieder zu arbeiten. Gessner geht an ihm vorbei zurück zum Anfang der Anlage. Er weist uns den Weg aus dem Beschleuniger, wo die nächste Generation kleinerer, leistungsstarker Beschleuniger im Entstehen begriffen ist.