Um Elektronen und Positronen auf hohe Energien zu beschleunigen, sind lange Linearbeschleuniger erforderlich. Allerdings sind dieser Technologie durch die konventionelle Radiofrequenztechnologie Grenzen gesetzt. Ziel von AWAKE ist es, eine neue, effizientere Beschleunigungsmethode zu entwickeln, das heißt, auf kurzen Strecken hohe Energien erreichen. Der Benefit: Geringerer Platzbedarf und weniger Kosten als für herkömmliche Anlagen.
Seine Nagelprobe hat AWAKE schon bestanden: Bereits 2018 ist es Forschenden gelungen, Elektronen auf der Plasmawelle surfen zu lassen und diese erfolgreich zu beschleunigen. „Allerdings sind noch viele Hindernisse aus dem Weg zu räumen, bevor AWAKE als leistungsfähige Beschleunigungsmaschine zum Einsatz kommen kann“, erklärt Livio Verra vom CERN, Erst-Autor der jetzt in Physical Review E veröffentlichten Studie.
Wie entsteht eine Plasmawelle?
Um optimale Bedingungen für die Entstehung und Ausbreitung einer Welle zu schaffen, müssen die Forschenden die Vorgänge im Plasma genau verstehen – zum Beispiel die Selbstmodulation, ein wesentlicher Schritt für die Entstehung der Plasmawelle: Dabei zerlegen sich die 10-Zentimeter langen Protonenstrahlen aus dem SPS-Beschleuniger des LHC in kurze Protonenpakete.
„Diesen Vorgang können wir im Prinzip gut steuern“, erklärt Patric Muggli, der am Max-Planck-Institut für Physik die AWAKE-Gruppe leitet. „Allerdings haben wir in verschiedenen Versuchen eine interessante Beobachtung gemacht: Unter bestimmten Voraussetzungen bildet der der Protonenstrahl längliche Strukturen aus, anstatt sich in einzelne Segmente zu zerteilen.“
Den Wissenschaftler*innen gelang es, die Ursache aufzuspüren. Bei einem Plasma handelt es sich um ein ionisiertes Gas, d.h. positive und negative Ladungen liegen getrennt voneinander vor. Wenn ein Protonenstrahl in das Plasma eintritt, ziehen die Protonen negativ geladene Plasma-Elektronen mit und erzeugen so eine Art Kielwelle. Zur Bildung der Filamente kommt es, wenn der Durchmesser des Protonenstrahls größer ist als die Tiefe der Plasmahaut.
Ursache für die Bildung von Filamenten
Wenn ein Protonenstrahl in das Plasma eintritt, ziehen die Protonen negativ geladene Plasmaelektronen mit sich und erzeugen einen Strom von Plasmaelektronen. Filamente bilden sich, wenn der Bündelradius größer ist als die sogenannte Plasmahauttiefe. Dadurch fließt der Strom innerhalb des treibenden Bündels und löst die Instabilität aus.
