Seite als PDF downloaden - Max-Planck

Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Wir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Why We need new types of particle accelerators
Caldw ell, Allen
Max-Planck-Institut für Physik, München
Korrespondierender Autor
E-Mail: caldw [email protected]
Zusammenfassung
Um über das gegenw ärtige Leistungsvermögen von Teilchenbeschleunigern hinauszugehen, muss man
vollkommen neue Technologien entw ickeln, und zw ei dieser Optionen w erden gerade am MPI für Physik
untersucht. Die
erste
dieser
Optionen
ist
die
Plasmaw ellen-Beschleunigung, eine
Technik, die
die
beschleunigende Kraft sehr stark erhöhen und dadurch die Länge eines Beschleunigers für Elektronen enorm
reduzieren w ürde. Die zw eite Möglichkeit ist ein Teilchen zu beschleunigen, das sow ohl die positiven
Eigenschaften des Protons, als auch die des Elektrons besitzt. Das Teilchen, das dafür in Frage kommt, ist das
Myon, eine schw erere Version des Elektrons.
Summary
Completely new technologies are needed to go beyond the energies of present day particle accelerators. Tw o
new concepts are currently being w orked out at the Max Planck Institute for Physics in Munich. The first of
these concepts makes use of plasma w akefields. Plasmas can support extremely high electric fields, and w ould
therefore allow for much more compact accelerators. The second possibility investigated is to accelerate
muons, a heavier version of the electron. The muon combines the advantages of both electrons (point-like
nature) and protons (heavy).
Im 20. Jahrhundert w urden gigantische Fortschritte in unserem Verständnis der Materie auf subatomaren
Skalen erreicht. Dies w ar nur aufgrund der Erfindung von Teilchenbeschleunigern möglich, die Energien
erzeugten, die um viele Größenordnungen höher w aren als jene, die man mit radioaktiven Quellen erreichen
konnte. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation ermöglichen höhere Energien kürzere Auflösungen. Die
höheren Energien w urden genutzt, um viele neue Teilchen zu entdecken und um die Grundlagen für das
Standardmodell der Teilchenphysik festzulegen. Abbildung 1 zeigt die Entw icklung der erreichten Energie als
Funktion der Zeit.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
1/7
Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Die e rre ichte Be schle unige re ne rgie übe r die Ja hre . Die P unk te
ze ige n ve rschie de ne wichtige Be schle unige r in de r Ge schichte
de r Hoche ne rgie physik .
© Ma x -P la nck -Institut für P hysik
Der Large Hadron Collider (LHC) bietet die Möglichkeit, einen neuen Energiebereich zu eröffnen und könnte die
Bestätigung für Teilchen und Kräfte liefern, die bei heutigen Energien nicht nachw eisbar sind. Um die Energien
des LHC zu erreichen, d.h. 7+7 TeV für zw ei Teilchenstrahlen, benötigt man einen Tunnel von 27 km Länge. Die
Energie ist dabei durch die Stärke der verw endeten Magnete begrenzt, die die Protonen auf ihre kreisförmige
Bahn ablenken. Die maximale Energie, die mit Elektronen in demselben Tunnel erreicht w urde, w ar beinahe um
einen Faktor 100 geringer. In diesem Fall w ird die maximale Energie durch die Strahlung begrenzt, die die
Elektronen aussenden, um auf ihre kreisförmigen Umlaufbahnen gebogen zu w erden (aufgrund ihrer größeren
Masse
existiert
diese
Strahlung
Elektronenbeschleuniger zusätzlich
bei
zu
Protonen
fast
nicht).
Protonenbeschleunigern
Trotz
der
niedrigeren
eingesetzt, denn
das
Energie
Elektron
w erden
ist
im
Gegensatz zum Proton ein punktförmiges Teilchen, mit dem man Präzisionsmessungen durchführen kann. Der
nächste Hochenergie-Elektronenbeschleuniger w ird linear gebaut w erden müssen, und der viel diskutierte
International Linear Collider (ILC) w ürde eine Gesamtlänge von etw a 30 km benötigen, um Energien von
0,5+0,5 TeV zu erreichen. Die Kostenabschätzungen für den ILC sind an der Grenze dessen, w as für einen
Teilchenbeschleuniger möglich scheint.
Um über das gegenw ärtige Leistungsvermögen hinauszugehen, muss man vollkommen neue Technologien
entw ickeln. Zw ei dieser Optionen w erden gerade am Max-Planck-Institut für Physik (MPP) in München
untersucht. Die
erste
dieser
Optionen
ist
die
Plasmaw ellen-Beschleunigung, eine
Technik, die
die
beschleunigende Kraft erhöhen w ürde und dadurch die Länge eines linearen Beschleunigers für Elektronen
stark reduziert. Die kleinere Länge w ürde viel geringere Kosten mit sich bringen und einen solchen
Beschleuniger daher bezahlbar machen. Die zw eite Möglichkeit, die hier in Betracht gezogen w ird, ist ein
Teilchen zu beschleunigen, das sow ohl die positiven Eigenschaften des Protons, als auch die des Elektrons
besitzt. Das Teilchen, das dafür in Frage kommt, ist das Myon, eine schw erere Version des Elektrons. Durch die
größere Masse kann das Myon in einem kreisförmigen Beschleuniger zu hohen Energien beschleunigt w erden,
ebenso w ie das Proton. Das Myon ist jedoch ein punktförmiges Teilchen, sodass Myon-Myon-Kollisionen viele
der vorteilhaften Eigenschaften von Elektron-Positron-Kollisionen besitzen. Die Schw ierigkeit, Myonen in einem
Beschleuniger zu verw enden, liegt in der kurzen Lebensdauer des Myons von ungefähr 2 Mikrosekunden. Im
Folgenden w ird erörtert, w ie ein Beschleuniger mit solch einem kurzlebigen Teilchen verw irklicht w erden
könnte.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
2/7
Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Plasmawellen-Beschleunigung
Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass Plasmen sehr große elektrische Felder erzeugen und deshalb für die
Beschleunigung von Teilchen auf relativistische Energien verw endet w erden können. Ursprünglich w urde in der
Literatur von Lasern angetriebene Plasmaw ellen-Beschleunigung [1] und ihre praktische Realisierung
betrachtet. In jüngsten Experimenten sind elektrische Felder von ca. 10–100 GV/m erzielt w orden,
tausendfach höher als mit herkömmlichen Beschleunigern. Die Beschleunigung ist bis jetzt allerdings auf
Strecken von w enigen cm beschränkt gew esen. Um ein Elektronenbündel auf 1 TeV zu beschleunigen,
müssten diese elektrischen Felder über Strecken von mehr als zehn Metern aufrechterhalten oder viele
Beschleunigungsetappen kombiniert w erden.
Später erkannte man, dass das Plasma auch von einem Elektronenbündel angeregt w erden könnte. Wenn ein
ausreichend intensives Elektronenbündel vorgegeben ist, w ird das Plasma vom durchlaufenden Bündel sow ohl
erzeugt, als auch zu Wellen angeregt. Im Fall von Elektronen angetriebener Plasmaw ellen-Beschleunigung
w urde ein elektrisches Feld von 50 GV/m erzielt und beinahe einen Meter lang aufrechterhalten. Die maximale
Energie der zu beschleunigenden Teilchen ist jedoch durch das maximale Umw andlungsverhältnis von zw ei
begrenzt.
Im Gegensatz zu Plasmen, die von Elektronenstrahlen angeregt w erden, sind nur begrenzte Untersuchungen
zur Anregung von Plasmaw ellen durch einen positiv geladenen Strahl durchgeführt w orden. In linearer
Näherung sollte die elektrische Feldverteilung dieselbe sein w ie für Elektronen, allerdings phasenversetzt.
Physikalisch gesprochen „bläst“ das negativ geladene, anregende Teilchenbündel die Plasmaelektronen auf
und schafft dadurch einen Bereich geringer Dichte hinter dem Bündel.
Dieses Verhalten der resultierenden Plasmaw elle ist sehr nützlich für die Beschleunigung: Sie stellt ein hohes
und homogenes Beschleunigungsfeld zur Verfügung, w ährend sich die transversalen Felder auf das
anregende und zu beschleunigende Teilchenbündel als fokussierende Kräfte ausw irken. Es ist viel schw ieriger,
diese Eigenschaften mit einem positiv geladenen Teilchenbündel, w ie z. B. Protonen, zu erreichen. Anstatt die
Plasmaelektronen „w egzublasen“, w erden sie in Richtung der Ausbreitungsachse „eingesaugt“. Aufgrund der
Radialsymmetrie führt dies zu einer Erhöhung der Elektronendichte entlang der Beschleunigungsachse und
einem effektiven Anstieg der lokalen Plasmafrequenz. Zusammen mit Kollegen von der Universität Düsseldorf
und aus Novosibirsk w urde die Möglichkeit untersucht, dennoch Plasmaw ellen mit einem intensiven
Protonenbündel anzutreiben [2]. Denn angesichts dessen, dass Protonen mit herkömmlichen Beschleunigern
auf
mehrere
Teraelektronenvolt
beschleunigt
w erden
können,
ist
die
Möglichkeit
sehr
attraktiv,
Elektronenbündel mit einem Protonenbündel beim Durchgang durch das Plasma bis zu einigen TeV (z. B. in
Folge von einem LHC- Protonenstrahl) zu beschleunigen.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
3/7
Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Da s obe re Bild ze igt die Dichte de r P la sm a e le k trone n
(schwa rz) und da s P rotone nbünde l (rot). Die Struk tur, die
durch de n Durchflug de s P rotone nbünde ls e rze ugt wird,
be we gt sich m it Lichtge schwindigk e it na ch re chts, in die se lbe
R ichtung wie da s P rotone nbünde l. Da s zu be schle unige nde
Ele k trone nbünde l ist a ls schwa rze r P unk t m it hohe r Dichte in
de r Nä he de r Bildm itte zu se he n. Da s unte re Bild ste llt die
Stä rk e de s e le k trische n Fe lde s da r, da s von de r inhom oge ne n
La dungsdichte e rze ugt wird. Da s be schle unigte
Ele k trone nbünde l sie ht e in Be schle unigungsfe ld von be ina he 3 GV/m .
© Ma x -P la nck -Institut für P hysik
W ir haben dazu Plasmaw ellen untersucht, die von einem 1 TeV Protonenbündel in einem Lithiumplasma
erzeugt w urden. Abbildung 2 (unten) zeigt die Elektronendichte und die elektrische Feldstärke entlang des
Plasmas. Das Protonenbündel ist rot am rechten Rand gezeigt, und das beschleunigte Elektronenbündel
befindet sich auf der Rückseite der ersten Beschleunigungsstruktur. Unsere Simulationen zeigen, dass
elektrische Felder zw ischen 2 und 3 GV/m möglich sind und damit um einen Faktor 100 höher liegen als jene,
die beim ILC zum Einsatz kommen sollen. W ir sind dabei, diese Forschung w eiterzuführen und mögliche
Demonstrationsexperimente zu planen.
Myon-Speicherring
Myonen sind instabile Teilchen, mit einer Lebensdauer von ungefähr 2 Mikrosekunden, und sie müssen unter
Verw endung von leistungsstarken Protonenbeschleunigern erzeugt w erden. Hochstrom-Protonenstrahlen von
mäßiger Energie (2–20 GeV) w erden auf eine Kupferplatte (oder andere Materie) geschossen. Dabei
produzieren sie eine große Anzahl von Teilchen, von denen die meisten Pionen sind. Pionen zerfallen innerhalb
ca. 1/100 Mikrosekunde zu Myonen. Diese Myonen müssen innerhalb sehr kurzer Zeit eingefangen, „gekühlt“
und beschleunigt w erden. Die Produktion und das Einfangen der Myonen ist, obw ohl schw ierig und kostspielig,
recht gut bekannt. Jedoch bleibt das Kühlen der Myonen ungelöst und w ird als der entscheidende Aspekt bei
der Verw irklichung eines Myon-Speicherrings betrachtet.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
4/7
Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Ereignisraten hängen bei einem Speicherring von dem Produkt des
Produktionsw irkungsquerschnitts
(Wahrscheinlichkeit einer Wechselw irkung) und der Intensität des Strahls ab (Anzahl der Teilchen in dem
Strahl, transversale Größe des Strahls). Die Anzahl der zu erzeugenden Myonen ist direkt mit dem
verw endeten Protonenstrahl korreliert und durch die Energiekosten begrenzt. Die transversale Strahlgröße ist
von der Phasenraumverteilung der Myonen abhängig, und die Reduzierung dieses Phasenraumvolumens w ird
als „Kühlung“ des Strahls bezeichnet. Um interessante Strahlintensitäten bei hohen Energien zu erreichen, ist
es notw endig, das Phasenraumvolumen der produzierten Myonen um bis zu sechs Größenordnungen zu
reduzieren. Existierende Technologien erfordern zu viel Zeit und sind nicht einsetzbar, da die Myonen
zerfallen, bevor sie gekühlt sind. Ein zukünftiger Myonen-Speicherring hängt in entscheidendem Maße von der
Entw icklung einer neuen Art von Phasenraum-Kühlung ab.
Die a uf e in Myon wirk e nde Bre m sk ra ft be im Durchflug durch
He lium ga s. Frictional Cooling e rfolgt im Ene rgie be re ich
unte rha lb de s Bra gg-Sche ite ls. De r typische Ene rgie be re ich im
Gle ichge wichtszusta nd ist in bla u a bge bilde t.
© Ma x -P la nck -Institut für P hysik
Es
w urde
eine
Technik
untersucht
[3],
das
so
genannte Frictional
Cooling,
eine
Kühlung
durch
Reibungsverluste, bei der Myonen durch ein Gas geleitet und gleichzeitig von einem elektrischen Feld
beschleunigt w erden. Dies führt zu einem Energiegleichgew ichtszustand, vergleichbar mit einer konstanten
Endgeschw indigkeit, die ein Objekt erreicht, w elches aus dem Fenster eines oberen Stockw erkes gew orfen
w ird. Im letzteren Fall ist dies möglich, w eil die Bremskraft (der Luftw iderstand) mit der Geschw indigkeit des
Objekts zunimmt, und ab einer gew issen Geschw indigkeit gleicht diese Bremskraft die Beschleunigungskraft
aufgrund der Schw erkraft aus. I n Abbildung 3 ist die Bremskraft für ein Materieteilchen dargestellt. Man
erkennt, dass die Bedingungen, um eine Gleichgew ichtsenergie zu erzielen, bei niedrigen Energien gegeben
sind. Bei diesen Energien ist das Myon zu langsam, um das Gas zu ionisieren und der Energieverlust w ird
hauptsächlich durch Anregung und nicht-ionisierende Coulomb-Streuung erzeugt.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
5/7
Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
Sim ulie rte Myon-Ba hnve rlä ufe in e ine r Ga sze lle : Da s link e Bild
ze igt die Myone n a m Anfa ng ihre s Ba hnve rla ufs und m it noch
hohe m Im puls. Da s re chte Bild ze igt die spä te re n P ha se n de r
Ba hnve rlä ufe , be i de ne n die Myone n die
Gle ichge wichtse ne rgie e rre icht ha be n und im re chte n W ink e l
a us de r Ze lle flie ge n.
© Ma x -P la nck -Institut für P hysik
Die Myonen w erden mit einer Energie erzeugt, die typischerw eise im Bereich von 10 4 keV liegt. Damit sie in
den Energiebereich des Frictional Cooling kommen, w erden ihre Bahnen beim Durchlaufen des abbremsenden
Mediums von einem starken magnetischen Feld „aufgew ickelt“. Bei niedrigen Energien, bei denen das Frictional
Cooling stattfindet, fliegen die Myonen nicht sehr w eit, bevor sie zerfallen. Daher ist es entscheidend, den
Flugw eg kurz zu halten, bevor eine Beschleunigung von neuem erfolgt. Es ist vorgesehen, die Myonen im
rechten W inkel aus dem magnetischen Feld abzulenken. Drei für ein Myon typische Bahnverläufe sind in
Abbildung 4 dargestellt. Simulationen des Frictional Cooling haben gezeigt, dass die erforderliche Reduzierung
des Myon-Phasenraums erreicht w erden kann.
Der
entscheidende
Schritt
ist
nun
eine
experimentelle
Demonstration
des
Konzepts.
Dieses
Demonstrationsexperiment w ird momentan am Max-Planck-Institut für Physik durchgeführt, w obei Protonen
anstelle von Myonen verw endet w erden. Der Kühlungsvorgang sollte bei Protonen auf identische Weise
funktionieren, sodass diese Tests mit geringerem Kosten- und Arbeitsaufw and durchführbar sind. Die
w ichtigsten Komponenten sind eine Alpha-Strahlenquelle, für die Erzeugung von freien Protonen, ein
Beschleunigungsgitter, eine Gaszelle und ein Detektor zur Messung der Protonenenergie nach dem
Durchlaufen der Zelle. Erste Ergebnisse zeigen, dass Protonen erzeugt, beschleunigt und nachgew iesen
w erden können und in naher Zukunft auch erste Ergebnisse zur Demonstration des Frictional Cooling erw artet
w erden. Im nächsten Schritt sollten dann Demonstrationsexperimente mit Myonen durchgeführt und ein MyonSpeicherring ausführlich simuliert w erden.
Originalveröffentlichungen
Nach
Erw eiterungen
suchenBilderw eiterungChanneltickerDateilisteHTML-
Erw eiterungJobtickerKalendererw eiterungLinkerw eiterungMPG.PuRe-ReferenzMitarbeiter
Editor)Personenerw eiterungPublikationserw eiterungTeaser
(Employee
mit
BildTextblockerw eiterungVeranstaltungstickererw eiterungVideoerw eiterungVideolistenerw eiterungYouTubeErw eiterung
[1] T. Tajima, J.M. Dawson:
Laser Electron Accelerator.
Physical Review Letters 43, 267-270 (1979).
[2] A. Caldwell, K. Lotov, A. Pukhov, F. Simon:
Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration.
Nature Physics, eprint arXiv:0807.4599.
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
6/7
Jahrbuch 2008/2009 | Caldw ell, Allen | W ir brauchen neue Methoden zur Teilchenbeschleunigung
[3] H. Abramowicz, A. Caldwell, R. Galea, S. Schlenstedt:
A Muon Collider scheme based on Frictional Cooling.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 546, 356-375 (2005).
© 2009 Max-Planck-Gesellschaft
w w w .mpg.de
7/7