Physiker haben einen Teilchenbeschleuniger geschrumpft. Elektronen werden darin von Terahertz-Strahlen auf Trab gebracht statt wie üblich mit Radiowellen. Die Innovation verspricht ganz neue Möglichkeiten.

Nur 1,5 Zentimeter lang und einen Millimeter dünn sind die Beschleunigungsmodule, in denen die eingespeisten Elektronen mit Terahertz-Strahlung auf Tempo gebracht werden. Bild: Desy, Heiner Müller-Elsner

Teilchenphysiker sind es gewohnt, an Beschleunigeranlagen zu experimentieren, die mehrere hundert bis einige Kilometer lang sind. Die leistungsfähigste Maschine, der „Large Hadron Collider“ am europäischen Forschungszentrum Cern, bringt es sogar auf einen Umfang von 27 Kilometern. Dass es auch deutlich kleiner geht, wollen Physiker des Forschungszentrums Desy in Hamburg und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston zeigen.

Manfred Lindinger Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“. F.A.Z.

Es wird sich um einen Linearbeschleuniger handeln, der aus einzelnen, einen Millimeter dicken und 1,5 Zentimeter langen Beschleunigungssegmenten besteht. Ein solches Prototyp-Segment, das sie in der Zeitschrift „Nature Communications“ vorstellen, passt bequem in eine Westentasche. Die eingespeisten Elektronen werden in jedem Modul von Terahertz-Strahlung statt wie üblich von Radiowellen beschleunigt. Da die Wellenlänge der zwischen Infrarot und Mikrowellen angesiedelten Terahertz-Strahlung nur ein Tausendstel von Radiowellen misst, lassen sich deutlich kompaktere Teilchenbeschleuniger bauen, erklärt Franz Kärtner von Desy.

Ein Röntgenlaser im Labormaßstab

Derzeit erhöht sich die Energie der Elektronen in jedem Beschleuniger-Segment um sieben Kiloelektronenvolt. Hochgerechnet auf einen Meter zurückgelegter Strecke entspräche das einer Beschleunigung von 2,3 Megaelektronenvolt. Das ist im Vergleich zu großen Beschleunigeranlagen gering. Rechnungen zeigten aber, dass ein 100.000-fach größerer Beschleunigungsgradient möglich ist.

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Kärtner und seine Kollegen wollen mit der Terahertz-Technik nicht nur einen Linearbeschleuniger für die Teilchenphysik bauen, sondern auch einen kompakten Röntgenlaser und Elektronenquellen für die Materialforschung sowie für die medizinische Anwendung. „Die rasanten Fortschritte, die wir bei der Erzeugung von Terahertz-Strahlung mit optischen Methoden erleben, werden künftig die Entwicklung von Terahertz-Beschleunigern für diese Anwendungen ermöglichen“, sagt Erstautor Emilio Nanni vom MIT. In den kommenden Jahren möchten die Hamburger Physiker auf Terahertz-Basis einen experimentellen kompakten Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) im Laborformat aufbauen.