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Physiker planen Gamma-Fabrik am CERN

Kombination aus Ionenstrahl und Gammastrahlenquelle könnte neue Einblicke ins Atom geben

LHC
Der Teilchenbeschleuniger LHC könnte nach seiner letzten Laufzeit zu einer Gamma-Fabrik umgerüstet werden. © nach CERN/ Maximilien Brice

Ehrgeiziger Plan: Physiker wollen am Forschungszentrum CERN eine „Gamma-Fabrik“ installieren. In ihr soll ein Strahl hochbeschleunigter Ionen schwerer Elemente frontal mit einem energiereichen Laserstrahl beschossen werden. Dies erzeugt nicht nur spezielle Atomzustände, sondern auch extrem intensive und energiereiche Gammastrahlen – weit jenseits dessen, was heute machbar ist. Dadurch könnten Forscher ganz neue Einblicke in den Aufbau und das Verhalten der Atome gewinnen.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist der weltstärkste Teilchenbeschleuniger und das Instrument, mit dessen Hilfe der Higgs-Boson entdeckt wurde. Auch andere exotische Teilchen wie Tetraquarks und Pentaquarks, sowie erste Indizien für eine Asymmetrie von Materie und Antimaterie haben Physiker mithilfe der Protonenkollision in diesem 27-Kilometer-Ring schon nachgewiesen. Ab 2027 ist eine weitere Ausbaustufe des Beschleunigers, der sogenannte High-Luminosity LHC geplant, der noch höhere Energien und damit möglicherweise neue Entdeckungen ermöglichen soll.

Doch was kommt danach? Zurzeit werden in der internationalen Physikergemeinschaft mehrere mögliche Nachfolger für den LHC diskutiert. Einer davon ist der Future Circular Collider (FCC) , ein 100 Kilometer großer Beschleunigerring am CERN. Aber auch Linearbeschleuniger werden für die Zeit ab 2040 in Betracht gezogen. Parallel dazu geht es im „Physics Beyond Colliders“-Programm darum, wie die vorhandenen Beschleunigerringe des CERN, der LHC und das Super Proton Synchrotron (SPS), weiter genutzt werden sollen.

Teilchenstrahl und Gammalichtquelle zugleich

Ein Vorschlag dafür ist die Gamma-Fabrik. „Jahrzehntelang waren Laser sowie Fallen für Atome und Ionen die nützlichsten Werkzeuge der Atomphysik“, erklären Dmitry Budker von der Universität Mainz und seine Kollegen. „Die Gammafabrik aber ist beides: eine Lichtquelle, die wie ein Laser nahezu monochromatische energiereiche Photonen liefert, und auch eine gigantische Ionenfalle, in der schwere Ionen spektroskopisch untersucht werden können.“

In einer solchen Anlage könnten hochfokussierte Gammastrahlen erzeugt werden, deren Energie bis zu 400 Megaelektronenvolt erreicht. Diese Photonen sind damit rund 100 Millionen Mal energiereicher als die des sichtbaren Lichts. „Die Intensität dieser Strahlung liegt bei bis zu 1017 Photonen pro Sekunde – das ist mehrere Größenordnungen mehr als alle bisherigen Lichtquellen in diesem besonders interessanten Wellenbereich“, so die Physiker. „Das könnte bahnbrechende Experimente und neue Testmöglichkeiten für die fundamentalen Symmetrien der Natur ermöglichen.“

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Frontale Kollision von Licht und Materie

Konkret besteht die Gamma-Fabrik aus einem Strahl schwerer Atome wie Blei, denen fast alle Elektronen in der äußeren Hülle entrissen worden sind. Diese „Partially Stripped Ions“ (PSI) gelten als besonders vielversprechende Objekte, um Feinheiten der Atomstruktur zu erforschen. Der Ionenstrahl wird in einen der Beschleunigerringe, SPS oder LHC, eingespeist und fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Nun folgt das Entscheidende: „Die Kernidee ist es, diesen Strahl relativistischer Ionen frontal mit einem Laserstrahl zu beschießen“, erklären die Forscher. Diese Kollision von Licht und Materie regt die wenigen verbliebene Elektronen in den Ionen an und ermöglicht es so, ihre Struktur mittels Spektroskopie zu untersuchen. Parallel dazu senden die angeregten Ionen ihrerseits Photonen aus, die die intensive und energiereiche Gammastrahlung der „Fabrik“ ausmachen.

Erster Vorversuch erfolgreich

Einen ersten Vorversuch für die Gamma-Fabrik haben die Forscher schon im Juli 2018 am CERN durchgeführt. Dafür speisten sie Blei-Ionen mit nur noch ein oder zwei Elektronen zunächst in den SPS-Ring und ließen ihn dort einige Minuten zirkulieren. Dann injizierten sie den vorbeschleunigten Ionenstrahl in den LHC und hielten ihn bis zu 40 Stunden lang auf Kurs. „Der nächste entscheidende Schritt ist ein spezielles Proof-of-Principle-Experiment am SPS, das das gesamte Konzept der Gamma-Fabrik validieren soll“, erklärt Budker.

Dafür müssen allerdings noch einige Herausforderungen bewältigt werden. „So müssen wir beispielsweise lernen, ultrarelativistische PSI mittels Laserkühlung zu behandeln, um deren Energieausbreitung zu reduzieren und so einen wohldefinierten Strahl zu erhalten“, erläutert Budker. Dies sei bei so hohen Energien, wie für die Gamma-Fabrik geplant, noch nicht umgesetzt worden. Auch die Techniken zur Kalibrierung der Ionenenergien müssen noch erprobt werden.

„Ein Paradigmen-veränderndes Werkzeug“

„Die Gamma-Fabrik ist eine einzigartige Alternative zu bisherigen Röntgenquellen wie dem XFEL und zu Synchrotron-Experimenten“, sagen Budker und sein Team. An einer solchen Anlage könnte man beispielsweise die Verteilung der Bausteine im Atomkern näher untersuchen oder die schwache Kernkraft, die dem Atomkern zusammenhält und Zerfallsreaktionen kontrolliert. Mithilfe der Gammastrahlen ließen sich zudem Neutronen-, Myonen- oder Neutrino-Strahlen erzeugen.

„Seit der Zeit von Galileo haben neue Instrumente unseren Horizont erweitert und faszinierende Entdeckungen über die Natur und das Universum ermöglicht“, konstatieren Budker und sein Team. „Wir glauben, dass die Gamma-Fabrik ebenfalls ein solches Paradigmen-veränderndes Werkzeug werden könnte.“ Noch ist die Gamma-Fabrik aber ein Vorschlag – ob er umgesetzt wird, muss sich noch zeigen. (Annalen der Physik, 2020; doi: 10.1002/andp.202000204)

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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