Generalüberholung für Teilchenbeschleuniger

Neben den in Aussicht gestellten hohen Energien beeindruckt die neue Methode zur Beschleunigung von Elektronen vor allem durch ihre Effizienz. Tomas Plettner und seine Kollegen glauben, dadurch die Länge von Teilchenbeschleunigern um etwa eine Größenordnung verkleinern zu können. Die oft mehrere hundert Meter langen Vakuumröhren herkömmlicher Teilchenbeschleuniger, in denen geladene Elementarteilchen durch von Elektroden erzeugte elektrische Feldern beschleunigt werden, könnten so in nicht allzu ferner Zukunft durch die neuen Modelle ersetzt werden.

Der Aufbau von Plettners Beschleuniger ist zudem relativ einfach (siehe Bild). Ein Strahl eines herkömmlichen Lasers mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern trifft unter einem spitzen Winkel im Vakuum mit einem Elektronenstrahl zusammen. Die Projektion des elektrischen Feldvektors des Laserstrahls auf die Achse des Elektronenstrahls beschleunigt dann die Elektronen.

Dieses Verfahren ist zwar schon seit längerem bekannt, funktioniert allein allerdings nicht besonders gut. Dies hängt damit zusammen, dass die Geschwindigkeiten der Photonen des Laserstrahls und der Elektronen so unterschiedlich sind – mit der Folge, dass keine effiziente Energieübertragung zwischen den beiden Strahlen möglich ist (der Feldvektor des Laserstrahls ändert schließlich seine Richtung mit der Periode des verwendeten Lichts). Physiker wissen schon seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts, dass der gesamte Energieübertrag gegen Null strebt, wenn die Wechselwirkung der beiden Strahlen vom Kreuzungspunkt bis in unendliche Entfernung aufaddiert wird.

Plettner und seine Kollegen umgingen dieses Problem, indem sie das Gebiet der Wechselwirkung zwischen den beiden Strahlen durch eine mit Gold überzogene Folie aus Kunststoff begrenzten. Auf diese Weise gelang es ihnen, einen Elektronenstrahl über eine Strecke von einem Bruchteil eines Millimeters auf etwa 30 Kiloelektronenvolt zu beschleunigen. In zukünftigen Versionen des Beschleunigers werden um mehrere Größenordnungen höhere Energien erzielt werden, prophezeit Plettner, und selbst der seit vielen Jahren angestrebte Teraelektronenvoltbereich ist ihm zufolge in Reichweite.