Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

In der riesigen, unsichtbaren Welt der subatomaren Teilchen suchen Wissenschaftler schon lange nach einem Weg, mithilfe von Licht selbst leistungsstarke Elektronenstrahlen zu erzeugen. Jahrzehntelang bestand die Standardmethode darin, einen Laser in eine Gaswolke zu feuern, um eine Welle zu erzeugen, ganz ähnlich wie ein Boot, das sich durch Wasser bewegt, welche dann Elektronen einfängt und auf unglaubliche Geschwindigkeiten beschleunigt. Dieser Prozess, bekannt als Laser-Wakefield-Beschleunigung, ist ein vielversprechendes Werkzeug zur Erzeugung hochenergetischer Teilchen, ohne dass dafür massives, raumfüllendes Gerät benötigt wird. Eine beständige Herausforderung bestand jedoch darin, die Energie dieser Teilchen mit ihrer schieren Anzahl in Einklang zu bringen. Frühere Experimente konnten entweder sehr energiereiche Elektronen oder eine große Menge von ihnen erzeugen, aber selten beides gleichzeitig. Diese Einschränkung hat viele potenzielle Anwendungen, wie etwa die Erzeugung intensiver Röntgenstrahlenausbrüche für die medizinische Bildgebung oder die Untersuchung der extremen Bedingungen im Inneren von Sternen, für kleinere Labore unerreichbar gehalten.

Ein Forscherteam an der Laser Mégajoule-Anlage in Frankreich hat nun einen Weg demonstriert, diesen Zielkonflikt zu überwinden, indem sie Elektronenstrahlen erzeugte, die sowohl unglaublich zahlreich als auch hochenergetisch sind. Durch den Einsatz eines spezialisierten, ultrakräftigen Laserpulses, der auf einen Überschallstrahl aus Heliumgas fokussiert wurde, schufen die Wissenschaftler eine einzigartige Umgebung, in der zwei verschiedene Beschleunigungsmechanismen zusammenwirkten. Das Ergebnis war ein Elektronenstrahl, der eine Gesamtladung trug, die alles bisher in diesem Typ von Aufbau Erreichte weit übertraf, wobei die einzelnen Teilchen Energien von bis zu 500 Millionen Elektronenvolt erreichten. Als diese Elektronen in ein dickes Metallziel prallten, erzeugten sie einen Flash aus harten Röntgenstrahlen, der so intensiv war, dass er die Energie von mehreren Joule in einem Bruchteil einer Sekunde trug. Diese Errungenschaft deutet darauf hin, dass kompakte, Hochleistungsteilchenquellen Realität werden, was neue Türen für die Untersuchung der dichtesten Materiezustände und die Erzeugung sekundärer Strahlungsquellen für fortgeschrittene wissenschaftliche Studien öffnet.

Das Experiment fand am Laser Mégajoule statt, einer massiven Anlage in Frankreich, die zur Untersuchung der Hochenergiedichtephysik entwickelt wurde. Die Forscher nutzten ein spezielles Lasersystem namens PETAL, das einen Lichtpuls liefert, der weniger als eine Billionstelsekunde dauert, aber genug Leistung besitzt, um mit dem Output eines großen Kraftwerks zu konkurrieren. Anstatt auf einen festen Metallblock zu treffen, wurde der Laser in einen Heliumgasstrom fokussiert, der sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Während der intensive Laserpuls durch dieses Gas wanderte, riss er Elektronen aus den Heliumatomen und erzeugte so ein Plasma. Die schiere Kraft des Lasers drückte die Plasmaelektronen zur Seite und erzeugte ein Hinterwasser (Wake) hinter sich, ähnlich dem Kielwasser, das ein Schnellboot hinterlässt. In diesem Hinterwasser bildeten sich starke elektrische Felder, die bereit waren, jedes freie Elektron, auf das sie trafen, einzufangen und zu beschleunigen.

Was dieses Experiment besonders machte, war das spezifische Timing und die Intensität des Laserpulses. Der Puls war lang genug, nämlich etwa 700 Femtosekunden, um auf komplexe Weise mit dem Plasma zu interagieren. Anstatt die Elektronen einfach in einer einzigen, ordentlichen Linie zu schieben, begann der Laserpuls zu zerbrechen und zu oszillieren, während er sich durch das Gas bewegte. Diese Selbstmodulation schuf eine chaotische, aber hocheffektive Umgebung, in der zwei Arten der Beschleunigung gleichzeitig stattfanden. Die erste war die traditionelle Wakefield-Beschleunigung, bei der Elektronen auf der Plasmawelle ritten. Die zweite war die direkte Laserbeschleunigung, bei der Elektronen vom oszillierenden elektrischen Feld des Lichtes selbst eingefangen wurden und ihre Energie direkt daraus gewannen. Die Kombination dieser beiden Kräfte ermöglichte es den Forschern, eine massive Anzahl von Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten zu beschleunigen und dabei eine Gesamtladung von über einem MikroCoulomb zu erreichen. Dies ist eine rekordverdächtige Menge für diese Art von lasergesteuertem System und stellt die höchste Ladung dar, die nach Kenntnis der Forscher jemals für einen Laser-Wakefield-Beschleuniger berichtet wurde.

Um zu messen, was sie erschaffen hatten, platzierten die Forscher eine Reihe von Detektoren im Pfad des Elektronenstrahls. Ein Gerät, das sechs Meter entfernt positioniert war, nutzte ein Magnetfeld, um die Elektronen zu beugen und sie nach Energie zu trennen, wodurch die Wissenschaftler das volle Spektrum der Geschwindigkeiten im Strahl sehen konnten. Sie fanden heraus, dass die Elektronen eine breite Energieverteilung aufwiesen, wobei eine signifikante Anzahl bis zu 500 MeV erreichte. Ein weiterer Detektor, der direkt im Pfad des Strahls platziert war, maß die Gesamtzahl der Elektronen. Die Daten zeigten, dass der Strahl eine Ladung von 1,1 MikroCoulomb trug, ein Wert, der in einem Laser-Wakefield-Beschleuniger noch nie zuvor erreicht worden war. Die Forscher bestätigten diese Messungen mit detaillierten Computersimulationen, die die Laser- und Plasma-Interaktionen modellierten, und zeigten, dass die experimentellen Ergebnisse mit ihren theoretischen Vorhersagen übereinstimmten.

Die wahre Kraft dieses Elektronenstrahls wurde demonstriert, als er auf einen Stapel aus Metallplatten aus Indium, Eisen und Zirkonium gerichtet wurde. Als die hochenergetischen Elektronen auf diese schweren Metalle trafen, wurden sie schnell abgebremst und setzten ihre Energie in Form eines Ausbruchs harter Röntgenstrahlen frei. Dieser Prozess, bekannt als Bremsstrahlung, wandelte die kinetische Energie der Elektronen in einen Photonenstrahl um. Der resultierende Röntgenflash war unglaublich intensiv und trug eine Gesamtenergie von etwa 3,3 Joule in einem Puls, der kürzer als eine Pikosekunde war. Dies entspricht einer Konversionseffizienz von fast zwei Prozent von der Laserenergie zur Röntgenenergie, eine Zahl, die frühere Rekorde erreicht oder sogar übertrifft. Die erzeugten Röntgenstrahlen besaßen eine ausreichend hohe Energie, um dichte Materialien zu durchdringen, was sie für fortgeschrittene Bildgebungsverfahren geeignet macht.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer Fähigkeit, hocheffiziente Elektronenstrahlen mit hoher Ladung in einer kompakten Umgebung zu erzeugen. Die Forscher zeigten, dass sie durch die sorgfältige Abstimmung des Lasers und des Gasziels das chaotische Wesen des Plasmas zu ihrem Vorteil nutzen konnten, anstatt dagegen anzukämpfen. Der von ihnen erzeugte Elektronenstrahl ist nicht nur eine wissenschaftliche Kuriosität; er ist ein praktisches Werkzeug. Solche Strahlen können verwendet werden, um sekundäre Strahlungsquellen wie Neutronen oder Gammastrahlen zu erzeugen, die für die Kernphysikforschung und die Untersuchung des Verhaltens von Materie unter extremem Druck und extremen Temperaturen essenziell sind. Darüber hinaus bedeutet die Fähigkeit, diese Strahlen mit einem Lasersystem zu erzeugen, das in eine größere Anlage wie den Laser Mégajoule integriert ist, dass Wissenschaftler nun diese Elektronenstrahlen nutzen können, um Materie zu untersuchen, die durch andere leistungsstarke Laserstrahlen komprimiert und erhitzt wurde, was eine neue Möglichkeit bietet, die Physik von Sternen und Planetenkernen im Labor zu erforschen.

Das Team achtete auch sehr genau darauf, wie die Energie innerhalb des Strahls verteilt war. Während die Messungen auf der Achse eine hohe durchschnittliche Energie zeigten, enthüllten die Computersimulationen, dass der Strahl auf seinem Weg signifikant auseinanderdriftete. Die Elektronen im Zentrum des Strahls waren am energiereichsten, während jene an den Rändern geringere Energien aufwiesen. Durch die Berücksichtigung dieser Streuung berechneten die Forscher, dass der gesamte Strahl eine Gesamtenergie von etwa 17 Joule trug. Diese umfassende Sichtweise, die experimentelle Daten mit anspruchsvoller Modellierung kombinierte, gab ihnen ein klares Bild der Eigenschaften des Strahls und bestätigte, dass der Beschleunigungsmechanismus ein Hybrid aus den beiden vermuteten Prozessen war. Der Erfolg dieses Experiments legt nahe, dass zukünftige Upgrades des Lasersystems, wie etwa die Verbesserung der Fokussierung des Strahls, diese Konversionseffizienzen noch weiter steigern könnten.

Dieser Erfolg markiert einen Schritt nach vante in dem Gebiet der Laser-Plasma-Beschleunigung und bringt sie näher an die praktische Anwendung. Die Fähigkeit, Elektronenstrahlen im MikroCoulomb-Bereich und mehr-Joule-Röntgenstrahlen in einem einzigen Schuss zu erzeugen, bietet eine neue Kapazität für Wissenschaftler, die intensive, kurzzeitige Strahlungsquellen benötigen. Die Forscher demonstrierten, dass das komplexe Zusammenspiel zwischen selbstmodulierter Wakefield-Beschleunigung und direkter Laserbeschleunigung gesteuert werden kann, um zuverlässige, hochertragreiche Ergebnisse zu erzielen. Wenn diese Techniken verfeinert und in größere Anlagen integriert werden, versprechen sie neue Experimente in der Astrophysik, der Kernphysik und der Materialforschung zu ermöglichen, die es der Menschheit erlauben, tiefer in die grundlegenden Abläufe des Universums zu blicken. Der Weg von einem chaotischen Plasmajet zu einem kontrollierten, hochenergetischen Strahl ist nun klarer und ebnet den Weg für die nächste Generation von Teilchenquellen.