Das AWAKE-Experiment am CERN (Foto: CERN/IST)

Das AWAKE-Experiment am CERN (Foto: CERN/IST)

Störfall im Plasma liefert Modell für Magnetismus im Weltall

Wie sieht die Zukunft der Beschleunigungs-Physik aus? Seit Jahren arbeiten Forschende im AWAKE-Projekt an einem neuen Ansatz. Dabei erzeugt eine Protonenstrahl eine Plasmawelle, auf der Teilchen beschleunigt werden können. Eine jetzt veröffentlichte Studie wirft einen genaueren Blick auf die Vorgänge im Plasma. Die Forschenden stellten fest, dass sich der Protonenstahl unter bestimmten Umständen in einzelne Stränge zerlegt. Für die Plasmabeschleunigung ist das ein ungünstiger Effekt. Aber er könnte erklären, wie Magnetfelder im All entstehen und verstärkt werden.

Um Elektronen und Positronen auf hohe Energien zu beschleunigen, sind lange Linearbeschleuniger erforderlich. Allerdings sind dieser Technologie durch die konventionelle Radiofrequenztechnologie Grenzen gesetzt. Ziel von AWAKE ist es, eine neue, effizientere Beschleunigungsmethode zu entwickeln, das heißt, auf kurzen Strecken hohe Energien erreichen. Der Benefit: Geringerer Platzbedarf und weniger Kosten als für herkömmliche Anlagen.

Seine Nagelprobe hat AWAKE schon bestanden: Bereits 2018 ist es Forschenden gelungen, Elektronen auf  der Plasmawelle surfen zu lassen und diese erfolgreich zu beschleunigen. „Allerdings sind noch viele Hindernisse aus dem Weg zu räumen, bevor AWAKE als leistungsfähige Beschleunigungsmaschine zum Einsatz kommen kann“, erklärt Livio Verra vom CERN, Erst-Autor der jetzt in Physical Review E veröffentlichten Studie.

Wie entsteht eine Plasmawelle?

Um optimale Bedingungen für die Entstehung und Ausbreitung einer Welle zu schaffen, müssen die Forschenden die Vorgänge im Plasma genau verstehen – zum Beispiel die Selbstmodulation, ein wesentlicher Schritt für die Entstehung der Plasmawelle: Dabei zerlegen sich die 10-Zentimeter langen Protonenstrahlen aus dem SPS-Beschleuniger des LHC in kurze Protonenpakete.

„Diesen Vorgang können wir im Prinzip gut steuern“, erklärt Patric Muggli, der am Max-Planck-Institut für Physik die AWAKE-Gruppe leitet. „Allerdings haben wir in verschiedenen Versuchen eine interessante Beobachtung gemacht: Unter bestimmten Voraussetzungen bildet der der Protonenstrahl längliche Strukturen aus, anstatt sich in einzelne Segmente zu zerteilen.“

Den Wissenschaftler*innen gelang es, die Ursache aufzuspüren. Bei einem Plasma handelt es sich um ein ionisiertes Gas, d.h. positive und negative Ladungen liegen getrennt voneinander vor. Wenn ein Protonenstrahl in das Plasma eintritt, ziehen die Protonen negativ geladene Plasma-Elektronen mit und erzeugen so eine Art Kielwelle. Zur Bildung der Filamente kommt es, wenn der Durchmesser des Protonenstrahls größer ist als die Tiefe der Plasmahaut.

Ursache für die Bildung von Filamenten

Wenn ein Protonenstrahl in das Plasma eintritt, ziehen die Protonen negativ geladene Plasmaelektronen mit sich und erzeugen einen Strom von Plasmaelektronen. Filamente bilden sich, wenn der Bündelradius größer ist als die sogenannte Plasmahauttiefe. Dadurch fließt der Strom innerhalb des treibenden Bündels und löst die Instabilität aus.

 

„Als Plasmahauttiefe bezeichnen wir die spezifische Strecke im Plasma, die ein elektromagnetisches Feld zurücklegen kann, bevor es schwächer wird“, erläutert Livio Verra. „Kurz gesagt: je größer die Plasmadichte, umso kürzer ist die Plasmahauttiefe, was bedeutet, dass das Feld weniger tief in das Plasma eindringen kann.“

Wenn ein Protonenstrahl ein Plasma durchläuft, beginnen sich die Elektronen zu bewegen, um die Ladungsunterschiede und den Strom im Plasma auszugleichen. Dieser elektrisch geladene Rückstrom verursacht Störungen im Protonenstrahl, der dabei bis zu neun Fäden oder Filamente ausbildet – und für die Beschleunigung nicht mehr brauchbar ist. Nach den aktuellen Erkenntnissen entstehen Filamente, wenn der Radius des Protonenstrahls 1,5 mal so groß ist wie die Plasmahauttiefe.

Filamente erzeugen magnetische Felder

So störend diese Ereignisse für die Plasmabeschleunigung sind, so interessant sind sie für Astrophysik, wie Patric Muggli erklärt: „Bei den Versuchen haben wir festgestellt, dass mit den Filamenten auch Magnetfelder im Plasma entstehen. Damit ergibt sich eine Verbindung zur Astronomie: Filamentierung ist ein plausibler Kandidat für die Magnetisierung von dünnen Plasmen in astrophysikalischen Medien, wie sie zum Beispiel im interstellaren Raum oder in Supernova-Resten zu finden sind.“ Außerdem könnte der Effekt erklären, wie sich Magnetfelder im Kosmos verstärken, beispielsweise beim langen Nachleuchten von Gammablitzen.

Mit dieser Art von Experimenten haben Wissenschaftler*innen also eine Möglichkeit, im Labor Modelle zu testen, die zur Beschreibung der Vorgänge im Weltraum dienen. „Dies ist ein allgemeiner Forschungstrend, der als ‚Astrophysik im Labor‘ bezeichnet wird“, so Patric Muggli weiter. „Obwohl die Parameter sehr unterschiedlich sind, können die meisten Gleichungen so angepasst werden, dass sie beide Szenarien – im Plasma und im Kosmos – beschreiben.“