Physiker arbeiten an Entwürfen für einen Teilchenbeschleuniger , der wesentlich kleiner und billiger sein könnte als bestehende Anlagen. Die den Entwürfen zugrunde liegende Technik, die so genannte Wakefield-Beschleunigung, wird bereits seit den 1970er Jahren erforscht, aber erst jetzt macht das Gebiet rasche Fortschritte.

Physiker nutzen Teilchenbeschleuniger, um Teilchen intensiv zu untersuchen und neue Teilchen zu entdecken. Jetzt, da die Experten die nächsten großen Teilchenbeschleuniger planen, wollen die Forscher von Wakefield mitmachen. Laut Patric Muggli, einem Beschleunigerphysiker am Max-Planck-Institut für Physik in München, ist es an der Zeit, dass Teilchenbeschleuniger nicht mehr als Kuriosität, sondern als Routinegerät eingesetzt werden und neue Lösungen gefragt sind.

Bei der Wakefield-Beschleunigung "surfen" die Elektronen auf einer Plasmawelle (ionisiertes Gas), die von einem anderen Teilchenstrahl oder einem Laser erzeugt wird. Die Hohlräume konventioneller Beschleuniger, wie die des Large Hadron Collider (LHC), die elektromagnetische Felder zur Beschleunigung von Teilchen nutzen, neigen bei hohen Feldstärken zur Funkenbildung. Mit Plasma gefüllte Module können jedoch extremen Feldern standhalten. Das bedeutet, dass mit der Wakefield-Technologie über Entfernungen von wenigen Zentimetern Beschleunigungen erreicht werden können, die bis zu 1000 Mal höher sind als bei herkömmlichen Techniken. Würde dies in großem Maßstab angewendet, könnte die Größe der Beschleuniger von Kilometern auf Meter reduziert werden.

Zu den größten Hindernissen für Wakefield-Beschleuniger gehört die Notwendigkeit, mehrere Kammern zu kombinieren, um die Energie der Teilchen auf das richtige Niveau zu erhöhen und einheitliche und identische Strahlen zu erzeugen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Beschleunigung von Positronen zu beherrschen und zu entscheiden, welche Art von Wakefield-Beschleuniger gebaut werden soll.

In den nächsten vier Jahren wollen die Forscher die technischen Herausforderungen meistern und eine einzige, vielversprechende Methode auswählen, die in zehn Jahren die Grundlage für ein Demonstrationsgerät bilden soll, sagt Spencer Gessner, Teilchenphysiker am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien. Die Wakefield-Beschleunigung "kann unseren Platzbedarf erheblich verringern, sie ist billiger und scheint außerdem unglaublich flexibel und skalierbar zu sein", fügt Nicole Hartman, experimentelle Teilchenphysikerin an der Technischen Universität München, hinzu.

Die Wakefield-Technologie ist jedoch noch nicht ausgereift genug, um im nächsten großen Collider eingesetzt zu werden, einer "Higgs-Fabrik", die Elektronen und Positronen in Präzisionstests kollidieren und der Nachfolger des LHC sein könnte. Aber es sieht nach einer vielversprechenden Richtung für den nächsten Collider aus. Letztes Jahr hat ein Team am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien in Experimenten, bei denen ein Teilchenstrahl mit einem Laser beschleunigt wurde, gezeigt, dass Elektronen in nur 30 Zentimetern auf 10 Milliarden Elektronenvolt (eV) beschleunigt werden können. Das ist bereits etwa ein Zehntel der Energie, die Strahlen aus dem Vorgänger des LHC, dem Large Electron-Positron Collider, in 27 Kilometern erreichten.

Und die Forscher am SLAC und am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg arbeiten daran, den Strahlenfokus und die Ausbreitung der Teilchenenergien noch weiter zu verdichten. DESY-Physiker berichten in einem kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel