Laser-Teilchenbeschleuniger

Weltrekord in Protonenbeschleunigung mit Licht: Schnelle Protonen sind zum Beispiel für die Krebstherapie notwendig. Nicht immer kann man dabei an große Beschleunigeranlagen gehen. Forschern gelingt nun neue Bestmarke bei der Laser-Beschleunigung dieser Teilchen.

In der Bestrahlungstherapie von Tumoren spielen schnelle Teilchen eine wichtige Rolle. So können Strahlen schneller Protonen genutzt werden um Augenkrebs zu bekämpfen. Die Erzeugung solcher hochenergetischer Partikelstrahlen ist jedoch nicht nur in großen Beschleunigeranlagen möglich.

Man kann auch Laserlicht nutzen um Protonen und andere geladene Teilchen extrem zu beschleunigen. Dazu wird die Wechselwirkung des Lasers mit einem Materietarget, also einem materiellen Zielobjekt, genutzt. Dabei werden mikroskopischen Längenskalen sehr große Feldstärken erzeugt.

In einem kürzlich vorgestellten Versuch wurde ein neuer Rekordwert für diese Art von Teilchenbeschleunigung erzielt. Einem Forscherteam, an dem mehrere US-amerikanische Universitäten und Forschungseinrichtungen und das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) beteiligt sind, gelang es, einen Protonenstrahl mit einer Energie von 67 MeV (Megaelektronvolt) zu erzeugen.

Das entspricht der Energie, die ein Elektron oder ein Proton aufnähme, würde es mit einer Spannung von 67 Millionen Volt beschleunigt. Zum Vergleich: An Synchrotron-Beschleunigern wie etwa dam BESSY in Berlin oder PETRA III in Hamburg werden Energien erreicht, die etwa hundert bis tausend mal so groß sind.

Möglich wird die Teilchenbeschleunigung mit Licht durch die hohe Energiedichte moderner Hochleistungs-Kurzpuls-Laser. Trifft ein Puls aus einer solchen Quelle auf Materie, werden die Elektronen derartig stark beschleunigt, dass sie sich von ihren Atomrümpfen lösen.

Ein Plasma entsteht. Die endliche Ausdehnung des Lichtpulses sorgt nun dafür, dass die Elektronen nicht nur quer zur Ausbreitungsrichtung des Lasers beschleunigt werden, wie man das auch bei weniger intensivem Licht beobachtet.

Statt dessen tritt, nach dem der Puls durch die Materie gewandert ist, eine Plasmawelle aus zurückschwingenden Elektronen auf, die auch eine Komponente in Laserausbreitungsrichtung enthält.