Miniaturisierter Antimaterie-Beschleuniger durchbricht Größenbeschränkungen und eröffnet neue physikalische Grenzen

• Wissenschaftler haben einen neuen Weg gefunden, Antimaterie auf tausendmal kleinerem Raum als bestehende Beschleuniger zu beschleunigen. 
• Die Technik ist sehr effizient, kostengünstig und würde uns helfen, neue Physik im Detail zu studieren. 

Teilchenbeschleuniger in Einrichtungen wie der Linac Coherent Light Source und dem Large Hadron Collider beschleunigen Elementarteilchen (Elektronen und Protonen). Sie ermöglichen es Wissenschaftlern, mehrere Theorien der Physik zu testen, einschließlich der Suche nach neuen Teilchen, die von supersymmetrischen Theorien erwartet werden, und der Analyse der Eigenschaften des Higgs-Bosons.

Normalerweise geschieht dies durch die Zertrümmerung beschleunigter Teilchen, um mehr Elementarteilchen zu erzeugen, die allen anderen Teilchen Masse verleihen. Es kann zur Herstellung von Röntgenlasern verwendet werden, um kleine und ultraschnelle Prozesse wie die Photosynthese abzubilden.

Um solch hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, müssen im Beschleuniger jedoch Komponenten verwendet werden, die länger als 2 km sind. Vor ein paar Jahren haben Wissenschaftler am Imperial College London ein System entwickelt, das nur meterlange Komponenten zur Beschleunigung von Elektronen verwendet.

Jetzt hat ein Wissenschaftler derselben Universität eine Technik erfunden, um Positronen – Antiteilchen-Gegenstücke des Elektrons – in einem System zu beschleunigen, das nur mehrere Zentimeter lang wäre.

Vorteile eines kleinen Positronenbeschleunigers

Diese neue Technik könnte dazu beitragen, weitere Geheimnisse der Physik zu erforschen, einschließlich der Eigenschaften von Dunkler Materie und Dunkler Energie, und eine empfindlichere Prüfung von Siliziumchips und Flugzeugen ermöglichen.

Der Ansatz wurde anhand der Beschaffenheit der vorhandenen Lasertechnologie modelliert, die fast 25 Quadratmeter abdeckt. Bei erfolgreicher Demonstration könnte es zahlreichen Labors auf der ganzen Welt die Durchführung von Experimenten zur Beschleunigung von Antimaterie ermöglichen.

Den Forschern zufolge könnte diese neue Technologie sowohl die Größe als auch die Kosten der Positronenbeschleunigung drastisch verringern. Derzeit erfordert das gleiche Experiment große physikalische Einrichtungen und kostet mehrere zehn Millionen Dollar.

Die in großen Einrichtungen wie der Linac Coherent Light Source und dem Large Hadron Collider verwendeten Strategien wurden seit ihrer Entdeckung in den frühen 1960er Jahren nicht wesentlich verbessert. Sie sind immer noch teuer und zu komplex.

Die Antimateriebeschleuniger der nächsten Generation sind hingegen effizient, kleiner und günstiger. Sie würden uns bei der Erforschung neuer Physik helfen und es vielen weiteren Laboren ermöglichen, sich den Bemühungen anzuschließen.

Referenz:Phys. Rev. Accel. Balken | doi:10.1103/PhysRevAccelBeams.21.081301 | Imperial College London

Higgs-Boson erzeugen und Materialien testen

Bei dieser Technik wird mithilfe von Lasern und Plasma Antimaterie erzeugt, konzentriert und beschleunigt, um einen Strahl zu erzeugen. Der zentimeterlange Beschleuniger ist in der Lage, Positronenstrahlen mit mehreren zehn Millionen Teilchen zu beschleunigen, indem er vorhandene Lasertechnologie nutzt. Das Energieniveau dieser Teilchen ist das gleiche wie das, das vom 2 km langen Stanford-Beschleuniger erzeugt wird.

Genauer gesagt verwendeten Forscher Particle-In-Cell-Simulationen, um zu zeigen, dass vorhandene Laser Hunderte von quasi-monoenergetischen MeV-pC-Positronen beschleunigen können.

Die Teilchenbeschleunigungstechnik basiert auf 2 Laser-Plasma-Wechselwirkungsstufen | Bildnachweis: Aakash A. Sahai

Tatsächlich könnten sie das Higgs-Boson mit einer höheren Rate erzeugen, wodurch Wissenschaftler seine Eigenschaften besser analysieren könnten. Außerdem könnten sie verwendet werden, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu erklären, indem nach neuen Teilchen gesucht wird, die von supersymmetrischen Theorien erwartet werden.

Was praktische Anwendungen betrifft, kann der Positronenstrahl Fehler und Bruchrisiken in einer Vielzahl von Materialien analysieren, einschließlich Flugzeugtriebwerksschaufeln, -körpern und integrierten Chips. Da Antimaterie mit solchen Materialien auf andere Weise interagiert als Elektronen oder Röntgenstrahlen, verleihen sie dem Qualitätskontrollprozess eine ganz neue Dimension.

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Aufgrund der bisherigen Erfahrungen mit der Erzeugung von Strahlen mit einer ähnlichen Technik sind sich die Forscher ziemlich sicher, dass der funktionsfähige Prototyp bis 2020 verfügbar sein wird.