AWAKE – Beschleunigung mit Plasmawellen

Die Forschungsgruppe AWAKE (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) am MPP erforscht eine neue Methode, um Teilchen auf hohe Energien zu beschleunigen. Dabei wird ein Protonenstrahl in ein Plasma, also ein ionisiertes Gas, eingespritzt. Auf ihrem Weg ziehen die Protonen negativ geladene Plasma-Elektronen mit und erzeugen so eine Art Bugwelle. 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.

Das Ziel dieser Forschung ist es, die Strecke zu verringern, die man zum Beschleunigen von Teilchen braucht. Die Technik eignet sich besonders für lineare Beschleuniger - und ist eine kostengünstigere Alternative zu den vorgeschlagenen Konzepten für den International Linear Collider (ILC) oder den CERN Compact Linear Collider (CLIC). 

Aktuelle Forschung

Mit diesem Ziel richtet das MPP mit internationalen Partnern derzeit das AWAKE-Experiment am CERN ein. Die Gruppe forscht an Methoden, wie man die Energie derzeit verfügbarer Protonenquellen – zum Beispiel des LHC – für AWAKE nutzen kann. Der Protonenstrahl soll geladene Wellen über eine Distanz von 10 bis 1.000 Metern in einem Plasma erzeugen. Damit lassen sich Elektronenstrahlen bis zum Energiebereich von Teraelektronenvolt (TeV, 1 Million Gigaelektronenvolt) beschleunigen. 

Ein Plasmabeschleuniger braucht so nur 85 Zentimeter, um Elektronen auf eine Energie von 50 Gigaelektronenvolt zu bringen. Der Teilchenbeschleuniger SLAC, ein aktuelles Experiment, benötigt dafür 3 Kilometer.

AWAKE am MPP

Die Entwicklung eines Protonenpakets im Plasma lässt sich jetzt exakt steuern.  Zwischen dem oberen und dem unteren Bild ist eine Phasenverschiebung zu erkennen, die davon abhängt, wann das Start-Elektronenbündel in das Plasma eingespeist wird. (Bild: AWAKE)

Plasmawelle unter Kontrolle

Die innovative AWAKE-Technologie basiert auf einer Plasmawelle, auf der Elektronen „wellenreiten“ und beschleunigt werden, um dann mit anderen Teilchen zu kollidieren. Eine Studie hat jetzt gezeigt, wie sich die Surfwellen exakt steuern lassen – eine…

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Protonenbündel im Takt: Der Zugstrahl aus kleinen Protonenpaketen durchquert das Plasmafeld. Damit bildet sich eine Welle, auf der sich Elektronen beschleunigen lassen. (Bild: AWAKE)

AWAKE bringt Protonen in Takt

Die Zukunft der Teilchenbeschleunigung hat bereits begonnen: AWAKE ist ein erfolgversprechendes Konzept für ein gänzlich neues Verfahren, mit dem sich Teilchen schon auf kurzen Strecken beschleunigen lassen. Basis dafür ist eine Plasmawelle, die…

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Aufnahme eines in kleine Bündel zerlegten Protonenstrahls

AWAKE: Wie man einen Protonenstrahl zerlegt

Nachdem es Wissenschaftlern des AWAKE-Projekts gelungen ist, auf einer Plasmawelle „surfende“ Elektronen zu beschleunigen, geht es nun darum, die zugrunde liegenden Prozesse zu untersuchen und zu verbessern. In den letzten Monaten haben sich die…

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Illustration des AWAKE-Beschleunigers am CERN: Die Protonen (kugelförmige Strukturen) bilden eine Plasmawelle (ovale Strukturen), die Elektronen (kleine Kugeln) auf hohe Energien beschleunigen.

Erfolg für Teilchenbeschleuniger der Zukunft: Elektronen reiten Plasmawelle

Physikern könnte sich bald eine neue Tür zu den Geheimnissen des Universums öffnen. Der internationalen AWAKE-Kooperation ist ein Durchbruch auf dem Weg zu einer neuen Art von Teilchenbeschleunigern gelungen. Das Experiment, bei dem Elektronen auf…

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Hohe Elektron-Energien lassen sich mit einem Plasma-basierten Beschleuniger erzielen. Die Technologie wird derzeit im AWAKE-Projekt entwickelt.

Beschleunigertechnologie der Zukunft: Workshop am 1. und 2. Juni 2017

Was sollen künftige Teilchenbeschleuniger leisten? Auf der Wunschliste der Physiker stehen nicht nur höhere Energien, sondern auch akkuratere Messungen als mit heutigen Instrumenten. Auf einem Workshop, der am 1. und 2. Juni 2017 am MPI für Physik…

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Ein Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Physik arbeitet am AWAKE-Experiment

Protonen schlagen Wellen – AWAKE-Projekt erreicht wichtigen Meilenstein

Erfolgsmeldung aus dem AWAKE-Projekt: Erstmals ist es gelungen, mit einem Protonenstrahl eine wellenförmiges Plasmafeld zu erzeugen – Ansatz für einen völlig neuen Typ von Teilchenbeschleunigern. Künftig, so der Plan der beteiligten…

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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…

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MPI für Physik veranstaltet Konferenz für Hochenergiephysik

Um Themen der Hochenergie- und Astroteilchenphysik geht es vom 4. bis 9. Oktober 2015 in Wildbad Kreuth: Das Max-Planck-Institut für Physik veranstaltet dort die diesjährige ISMD-Konferenz (International Symposium on Multiparticle Dynamics), die seit…

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AWAKE erkundet das Potenzial der Plasmabeschleunigung

Die Vorbereitungen für das AWAKE Experiment am Forschungszentrum CERN laufen auf Hochtouren. Das AWAKE-Team des Max-Planck-Instituts für Physik in München steuert Ausrüstung und Know-how zu dem Experiment im Schweizer Forschungszentrum bei.

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E-Mail-Adresse: E-Mail@mpp.mpg.de
Telefonnummer: +49 89 32354-Durchwahl
Name Funktion E-Mail Durchwahl Büro
Bergamaschi, Michele Postdoc mbergama CERN CERN
Caldwell, Allen, Prof. Dr. Director caldwell 529 A.2.51
Clairembaud, Arthur PhD Student clairemb 221 A.1.19
Farmer, John, Ph.D. Postdoc jfarmer CERN A.1.21
Mezger, Jan Student mezger 561 A.1.19
Muggli, Patric, Dr. Senior Scientist muggli 580/CERN A.1.17
Ranc, Lucas, Dr. Postdoc ranc CERN A.1.21
Wacker, Ina Secretary ina 207 A.2.49
Zevi Della Porta, Giovanni, Dr. Postdoc zdp CERN A.1.21

Path to AWAKE: Evolution of the concept
A. Caldwell et al.
Science Direct, Volume 829, 1 September 2016, Pages 3–16

AWAKE, The Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN
E. Gschwendtner et al.
Science Direct, Volume 829, 1 September 2016, Pages 76–82

Plasma wakefield acceleration with a modulated proton bunch
A. Caldwell et al.,
Phys. Plasmas 18, 103101 (2011)
arxiv:1105.1292

Proton-driven plasma-wakefield acceleration
Allen Caldwell, Konstantin Lotov, Alexander Pukhov & Frank Simon
Nature Physics 5, 363 - 367 (2009)

Electron trapping and acceleration by the plasma wakefield of a self-modulating proton beam
K. V. Lotov, A. P. Sosedkin, A. V. Petrenko, L. D. Amorim, J. Vieira, R. A. Fonseca, L. O. Silva, E. Gschwendtner and P. Muggli
Phys. Plasmas 21, 123116 (2014)
http://dx.doi.org/10.1063/1.4904365