Ehrgeiziger Plan: Physiker wollen im CERN-Forschungszentrum eine Gammapflanze installieren. Darin wird ein sehr beschleunigter Ionenstrahl schwerer Elemente frontal mit einem energiereichen Laserstrahl beschossen. Dies erzeugt nicht nur einen speziellen Atomzustand, sondern auch extrem intensive und energiereiche Gammastrahlen – weit entfernt von dem, was heute möglich ist. Dies könnte Forschern einen völlig neuen Einblick in die Struktur und das Verhalten von Atomen geben.
von Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und das Instrument, mit dem Higgs-Boson wurde entdeckt. Andere exotische Partikel mögen Tetraquarks und Pentaquarkssowie die ersten Indikationen für eine Asymmetrie Physik und Antimaterie wurden bereits von Physikern anhand der Protonenkollision in diesem 27 Kilometer langen Ring demonstriert. Ab 2027 ist eine weitere Phase der Beschleunigererweiterung geplant, der sogenannte LHC mit hoher Helligkeit, der noch höhere Energien und damit möglicherweise neue Entdeckungen ermöglichen soll.
Aber was kommt danach? In der internationalen Physikgemeinschaft werden derzeit mehrere mögliche Nachkommen für den LHC diskutiert. Einer von ihnen ist Nächster kreisförmiger Collider (FCC), ein 100 km langer Beschleunigerring am CERN. Für den Zeitraum ab 2040 werden auch Linearbeschleuniger berücksichtigt. Gleichzeitig geht es im Programm „Physics Beyond Colliders“ darum, wie vorhandene CERN-Beschleunigerringe, LHC und Super Proton Synchrotron (SPS) weiterhin verwendet werden sollen.
Teilchenstrahlquelle und Gammalicht Gamma gleichzeitig
Ein Vorschlag dafür ist die Gammafabrik. „Laser und Fallen für Atome und Ionen sind seit Jahrzehnten die nützlichsten Werkzeuge in der Atomphysik“, erklärt Dmitry Budker von der Universität Mainz und Kollegen. „Aber die Pflanze des Sortiments gehört zu beiden: einer Lichtquelle, die hochenergetische Photonen liefert, die fast monochromatisch wie Laser sind, und einer riesigen Ionenfalle, in der schwere Ionen spektroskopisch untersucht werden können.“
In einem solchen System können hochkonzentrierte Gammastrahlen erzeugt werden, deren Energie bis zu 400 Volt Megaelektron erreicht. Diese Photonen sind etwa 100 Millionen Mal energetischer als die des sichtbaren Lichts. „Die Intensität dieser Strahlung beträgt bis zu 1017 Photonen pro Sekunde – dies sind einige Rangfolgen, die größer sind als alle vorherigen Lichtquellen in diesem besonders interessanten Bereich „, so die Physiker.“ Dies könnte Überholversuche und neue Testmöglichkeiten für grundlegende Natursymmetrien ermöglichen. „
Frontalkollision von Licht und Materie
Insbesondere besteht die Gammapflanze aus einem Strahl schwerer Atome wie Blei, von dem fast alle Elektronen in der Außenhülle eingefangen werden. Diese „Partly Naked Ours“ (PSIs) sind besonders vielversprechend, um die Details der Atomstruktur zu untersuchen. Der Ionenstrahl wird in einen der Beschleunigerringe SPS oder LHC eingespeist und beschleunigt fast mit Lichtgeschwindigkeit.
Nun folgt das Wesentliche: „Die wesentliche Idee besteht darin, diesen Strahl relativistischer Ionen mit Laserstrahlköpfen zu bombardieren“, erklären die Forscher. Diese Kollision von Licht und Materie regt die wenigen in den Ionen verbleibenden Elektronen an und ermöglicht es, ihre Struktur spektroskopisch zu untersuchen. Gleichzeitig emittieren die angeregten Ionen wiederum Photonen, die die intensive und energiereiche Gammastrahlung der „Fabrik“ bilden.
Der erste erfolgreiche Vorversuch
Die Forscher führten im Juli 2018 einen ersten Vorversuch für die Gammapflanze am CERN durch. Dazu speisten sie zunächst die Bleiionen mit nur ein oder zwei Elektronen in den SPS-Ring ein und ließen ihn dort einige Minuten zirkulieren. Anschließend injizierten sie den vorbeschleunigten Ionenstrahl in den LHC und ließen ihn bis zu 40 Stunden lang fließen. „Der nächste entscheidende Schritt ist ein spezielles Experiment zum Testen von Prinzipien in SPS, bei dem das gesamte Konzept der Gammafabrik validiert werden muss“, erklärt Budker.
Es sind jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen. „Zum Beispiel müssen wir lernen, wie man ultra-relativistische PSI mit Laserkühlung behandelt, um ihre Energiedissipation zu reduzieren und so einen genau definierten Strahl zu erhalten“, erklärt Budker. Dies war bei den für die Gamma-Anlage geplanten hohen Energien noch nicht umgesetzt worden. Die Kalibrierungstechniken für die ionische Energie müssen noch getestet werden.
„Ein Werkzeug zum Paradigmenwechsel“
„Die Range-Anlage ist eine einzigartige Alternative zu früheren Röntgenquellen wie XFEL- und Synchrotron-Experimenten“, so Budker und sein Team. Eine solche Struktur könnte beispielsweise verwendet werden, um die Verteilung von Bausteinen im Atomkern oder die schwache Kernkraft zu untersuchen, die den Atomkern zusammenhält und Zerfallsreaktionen steuert. Gammastrahlen ermöglichten auch die Erzeugung von Neutronen-, Myonen- oder Neutrinostrahlen.
„Seit der Zeit von Galileo haben neue Instrumente unseren Horizont erweitert und interessante Entdeckungen über die Natur und das Universum ermöglicht“, so Budker und sein Team. „Wir glauben, dass die Range Factory auch ein solches Werkzeug für den Paradigmenwechsel sein kann.“ Die Range Factory ist jedoch noch ein Vorschlag – ob sie implementiert wird, bleibt abzuwarten. (Annals of Physics, 2020; doi: 10.1002 / und S.202000204)
Quelle: Johannes Gutenberg Universität Mainz