Physik auf dem Labortisch: Wie ein Acht-Stunden-Rekord in Berkeley die Ära erschwinglicher Beschleuniger einläutet

Teilchenbeschleuniger waren lange Zeit das exklusive Privileg gigantischer nationaler Forschungszentren. Um Elektronen auf die erforderlichen Geschwindigkeiten zu bringen, benötigen Physiker kilometerlange Tunnel und Budgets, die mit dem Bruttoinlandsprodukt kleinerer Staaten vergleichbar sind. Doch was wäre, wenn ein so leistungsstarkes Werkzeug zur Erforschung von Materie in ein gewöhnliches Universitätslabor passen würde?

Fachleute des BELLA-Zentrums am Berkeley Lab sind dieser Realität nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Sie demonstrierten den Betrieb eines Laser-Plasma-Beschleunigers (LPA), der über einen Zeitraum von acht Stunden stabil blieb. Für diese Technologie stellt ein solches Ergebnis einen gewaltigen Fortschritt dar. Bisher glichen derartige Anlagen eher kapriziösen Rennwagen: Sie lieferten zwar Rekordwerte, fielen jedoch alle zehn bis fünfzehn Minuten aus oder mussten manuell nachjustiert werden.

Worin liegt das Geheimnis dieser Ausdauer? Die Forscher implementierten ein System zur aktiven Rückkopplung. Computeralgorithmen analysieren sekündlich Dutzende Parameter des Laserstrahls sowie des Plasmas und nehmen mikroskopische Korrekturen vor. Dies hat das wissenschaftliche Experiment in ein zuverlässiges Werkzeug verwandelt.

Warum ist das für uns von Bedeutung? Auf der Grundlage solcher Beschleuniger arbeiten Freie-Elektronen-Laser (FEL). Diese erzeugen Röntgenstrahlung von unglaublicher Brillanz und ermöglichen es buchstäblich, „Filme“ darüber zu drehen, wie sich Moleküle während chemischer Reaktionen bewegen oder wie Viren in eine Zelle eindringen.

Heute müssen Wissenschaftler für solche Untersuchungen ein Jahr im Voraus einen Antrag stellen und ans andere Ende der Welt zum einzigen Synchrotron auf dem Kontinent reisen. Morgen schon – und das ist keine Science-Fiction mehr – könnten derartige Diagnoseverfahren in großen medizinischen Zentren oder in der Produktion von High-Tech-Chips verfügbar sein.

Sind wir bereit für eine Welt, in der die Grundlagenphysik nicht mehr „unerschwinglich teuer“ ist, sondern zum praktischen Werkzeug für Ingenieure wird? Wahrscheinlich wird dieser Übergang die Entwicklungsgeschwindigkeit neuer Medikamente und Materialien stärker verändern, als wir es uns derzeit vorstellen können. Es ist ein Weg zur Demokratisierung der Spitzenforschung.

Die Hochenergiephysik hat offiziell die Grenzen gigantischer Tunnel verlassen. Die Forschungsgruppe des BELLA-Zentrums (Berkeley Lab Laser Accelerator) hat bewiesen, dass ein kompakter Laser-Plasma-Beschleuniger mit der Zuverlässigkeit von Industrieanlagen arbeiten kann. Im Verlauf des Experiments hielt die Anlage acht Stunden lang eine stabile Strahlung aufrecht, was zuvor bei „Tischsystemen“ aufgrund der extremen Empfindlichkeit von Plasmawellen gegenüber geringsten Umgebungsschwankungen als physikalisch unerreichbar galt.

Traditionelle Teilchenbeschleuniger wie der LHC oder LCLS-II kosten Milliarden von Dollar und beanspruchen kilometerweite Flächen. Die LPA-FEL-Technologie nutzt einen Hochleistungslaser, um eine „Kielwasserwelle“ im Plasma zu erzeugen, auf der Elektronen „surfen“ und so über eine Distanz von nur wenigen Zentimetern enorme Energie gewinnen. Bis heute glichen solche Systeme jedoch eher eigenwilligen Prototypen: Sie lieferten zwar einen starken Impuls, fielen aber aufgrund thermischer Ausdehnung und der Degradation der Optik schnell aus.

Warum dies wichtig ist und wie es „Tisch-Röntgenquellen“ näherbringt

Traditionelle Synchrotrone und XFELs (Röntgen-Freie-Elektronen-Laser) sind gigantische Bauwerke mit einer Länge von Hunderten von Metern oder Kilometern (beispielsweise ist der European XFEL 3,4 km lang). Sie kosten Hunderte Millionen Dollar und sind nur großen nationalen Zentren zugänglich.

Ein Laser-Plasma-Beschleuniger verkürzt die Beschleunigungsstrecke von Kilometern auf Millimeter oder Zentimeter. Wenn es gelingt, die Energie der Elektronen auf etwa 500 MeV zu steigern (das nächste Ziel des Teams), wird die Wellenlänge der Strahlung auf 20 bis 30 nm sinken (extremes UV / weiche Röntgenstrahlung). In Zukunft könnte sogar harte Röntgenstrahlung erreicht werden.

Ein kompakter LPA-FEL könnte als „Tischgerät“ oder zimmergroße Quelle für ultrakurze, brillante und kohärente Röntgenimpulse dienen. Dies würde den Zugang zu folgenden Bereichen eröffnen:

• Universitäten und kleinen Laboren (für „molekulare Filme“, die Untersuchung der Dynamik chemischer Reaktionen, Biologie und Materialwissenschaften).
• Der Industrie (Qualitätskontrolle von Halbleitern, Nanotechnologie).
• Der Medizin und Sicherheitstechnik.

Natürlich sind Hochleistungslaser nach wie vor kostspielig, doch die gesamte Anlage wäre um ein Vielfaches kleiner und günstiger als die heutigen Giganten. Zudem könnten LPAs als hochwertige Injektoren für bestehende große XFELs dienen und deren Leistung steigern.

Dies ist ein sehr bedeutender Schritt weg von der „Labor-Spielerei“ hin zu einer echten Technologie. Das Team sammelt bereits Daten, um Stabilität und Brillanz weiter zu verbessern. Sollte die nächste Phase (500 MeV und weiche Röntgenstrahlung) ebenso souverän gelingen, könnte dies eine echte Revolution bei der Verfügbarkeit leistungsstarker Lichtquellen auslösen.