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Teilchenritt auf der Plasmawelle: Schlüsseltechnologie von AWAKE am CERN installiert

Wie lassen sich Beschleunigerexperimente auf noch höhere Energien bringen? Mit dem AWAKE-Projekt kommt eine gänzlich neue Technologie an den Start – mit dem Ziel, die Energieleistung von Teilchenbeschleunigern um ein Vielfaches zu steigern. Eine Schlüsselkomponente – die am Max-Planck-Institut für Physik entwickelte 10-Meter-lange Plasmazelle – wurde jetzt am CERN installiert. Die ersten Versuche sollen bereits Ende des Jahres beginnen.

Die 10-Meter lange Plasmazelle des AWAKE-Experiments wurde am CERN installiert. (Foto: M. Brice/CERN)

Die AWAKE-Technologie unterscheidet sich grundsätzlich von aktuellen Beschleunigerkonzepten: Vereinfacht gesagt nutzen diese starke elektromagnetische Felder, die geladene Teilchen auf hohe Energien beschleunigen. Die Teilchen selbst bewegen sich im Vakuum ringförmiger oder linearer Röhren. Um hohe Energien zu erzielen, braucht man große Beschleunigeranlagen – wie den Large Hadron Collider (LHC) mit einem Umfang von 27 Kilometern.

Anders das AWAKE-Prinzip: Dabei wird ein Protonenstrahl in ein Plasma, also ein ionisiertes Gas, eingespritzt. "Auf ihrem Weg durchs Plasma ziehen die Protonen negativ geladene Elektronen mit und erzeugen so eine Art Bugwelle", erklärt Patric Muggli, Projektleiter am MPP. "Wenn man zu einem geeigneten Zeitpunkt einen Strahl aus Elektronen einspeist, werden diese von der Welle mitgenommen – genauso, wie wenn ein Surfer eine Welle reitet."

Protonen machen bessere Wellen

Bisher haben Wissenschaftler diese Plasmawellen nur mit Hilfe von Elektronen erzeugt. Im AWAKE-Projekt sollen Protonen als "treibende Kraft" getestet werden: Protonen haben eine höhere Energie, können daher weiter ins Plasma vordringen und eine längere Welle bilden – und letztlich andere Teilchen stärker beschleunigen.

Physiker gehen davon aus, dass damit im Vergleich zu gängigen Technologien eine Beschleunigung um das Zehn- bis Hundertfache zu erreichen ist. Die Beschleunigeranlagen wären dann bei höherer Energie deutlich kleiner.

Der Umstieg auf eine Protonen-getriebene Welle ist auch der Grund, warum das AWAKE-Projekt am CERN angesiedelt ist. Dort nutzen die Wissenschaftler den starken Protonenstrahl des früheren CNGS-Experiments.

Noch in diesem Jahr soll die erste Installationsphase abgeschlossen werden – komplett mit Laser, der Plasmaquelle, Vakuumvorrichtung und Diagnosesystemen. Die ersten Versuche mit der Protonenwelle sind für Ende 2016 geplant, im Jahr darauf folgen der Einbau der Elektronenquelle und erste Tests mit den "wellenreitenden" Elektronen.

 

Kontakt:
Prof. Dr. Patric Muggli
Max-Planck-Institut für Physik
+49 89 32354-590
muggli@mpp.mpg.de