Wenn Sie an einen Teilchenbeschleuniger denken, fällt Ihnen vielleicht so etwas wie der Large Hadron Collider (LHC) des CERN ein: ein Multimilliarden-Dollar-Koloss, der Dutzende Meilen breit ist und internationale Grenzen überschreitet, um die Funktionsweise des Universums zu erschließen.
Aber Teilchenbeschleuniger gibt es in vielen Formen. Weltweit gibt es heute mehr als 30.000 Beschleuniger. Während einige von ihnen – darunter auch der LHC – darauf ausgelegt sind, die Geheimnisse des Universums zu enthüllen, verfolgt die überwiegende Mehrheit weitaus mehr irdische Zwecke. Sie werden für alles verwendet, von der Erzeugung brillanter Lichtstrahlen über die Herstellung von Elektronik bis hin zur Bildgebung des Körpers und der Behandlung von Krebs. Tatsächlich kann ein Krankenhaus einen raumgroßen medizinischen Beschleuniger für nur ein paar hunderttausend Dollar kaufen. Und seit letztem Monat haben Wissenschaftler der Liste eine weitere kuriose Ergänzung hinzugefügt: den bisher kleinsten Teilchenbeschleuniger.
Physiker haben einen Beschleuniger in der Größe einer Münze hergestellt und ihre Arbeit veröffentlicht Natur am 18. Oktober. Dieses Gerät ist nur eine technische Demo, aber seine Entwickler hoffen, dass es das Tor zu noch kleineren Beschleunigern öffnet, die auf einen Siliziumchip passen könnten.
„Ich halte dieses Papier auf jeden Fall für eine wirklich interessante und coole Physik, und es ist eine Anstrengung, die schon seit langer Zeit läuft“, sagt Howard Milchberg, ein Physiker an der University of Maryland, der nicht an der Forschung beteiligt war .
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Dieser Minibeschleuniger ist nicht nur ein Liliputaner LHC. Je nach Betriebskalender feuert der LHC Protonen oder Kerne von Bleiatomen in einem großen Kreis ab. Dieser miniaturisierte Beschleuniger feuert stattdessen Elektronen auf einer geraden Linie ab.
Es gab viele andere lineare Elektronenbeschleuniger, darunter vor allem der mittlerweile abgebaute, zwei Meilen lange Stanford Linear Collider. Traditionell verstärken Elektronenbeschleuniger ihre Projektile, indem sie sie durch metallische Hohlräume schießen, die typischerweise aus Kupfer bestehen und zuckende elektromagnetische Felder enthalten. Die Kammern treiben die Teilchen also wie Surfer auf elektrischen Wellen voran.
Einige Physiker glauben jedoch, dass diese altmodischen Beschleuniger nicht ideal sind. Die metallischen Hohlräume sind fehleranfällig. Außerdem sind sie unhandlich und erfordern eine große Ausrüstung. Der neue Beschleuniger der Forscher nutzt stattdessen präzise Laserschüsse, um die Elektronen anzutreiben.
Seit den 1960er Jahren versuchen Physiker, Laserbeschleuniger herzustellen. Sie werden als photonische Beschleuniger bezeichnet und beziehen sich auf die Erforschung des Lichts. Sie können kleiner und kosteneffizienter sein als ihre Gegenstücke auf Hohlraumbasis. Aber erst im letzten Jahrzehnt sind Laser so präzise und erschwinglich geworden, dass sogar experimentelle Photonenbeschleuniger praktikabel sind.
Ihre Verkleinerung brachte also eine Reihe entmutigender Hindernisse mit sich. Ein großes Hindernis war die Tatsache, dass die Ingenieure nicht über die hochentwickelte Technologie verfügten, die zur Herstellung der winzigen Teile eines Minibeschleunigers erforderlich war.
Nehmen Sie den münzgroßen Beschleuniger, den die Forscher zu bauen versuchten. Zunächst werden Elektronen mithilfe eines Teils erzeugt, der aus einem Elektronenmikroskop stammt. Dann drückt das Gerät die Elektronen eine Kolonnade hinunter: zwei Reihen von mehreren hundert Siliziumsäulen, jede nur 2 Mikrometer hoch, mit einem noch kleineren Abstand zwischen den Reihen. Ein Laser trifft auf die Spitze der Säulen und erzeugt elektrische Felder, die die darin eingeschlossenen Elektronen ankurbeln – zumindest auf dem Papier.
„Solch kleine Merkmale mit ausreichender Präzision herzustellen, ist äußerst anspruchsvoll“, sagt Tomáš Chlouba, Physiker an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland und einer der Autoren des Papiers. „Man braucht wirklich erstklassige Geräte … das sind keine Billiggeräte, und das sind auch keine Geräte, die es in den 90er Jahren gab.“
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Aber die Chipherstellung schreitet immer weiter voran. Nun konnten Chlouba und seine Kollegen auf Techniken zurückgreifen, die in der Welt der Halbleiterfertigung bereits üblich sind. Sie haben einen erfolgreichen Prototyp gebaut. Das Gerät kann nur etwa 1 Elektron pro Sekunde liefern, was für Teilchenbeschleuniger-Verhältnisse ein winziges Rinnsal ist. (Der durchschnittliche Draht in einem durchschnittlichen Gerät in Ihrem Zuhause transportiert ein Billiardenfach mehr Elektronen.) Darüber hinaus haben die Elektronen ungefähr die gleiche Energie wie die in einem herkömmlichen Kathodenstrahlröhrenfernseher: wiederum ein Hungerlohn für Teilchenbeschleuniger-Verhältnisse.
Daher „weiß ich nicht, wie praktisch es sein könnte“, sagt Milchberg. Noch mehr Elektronen in der Kolonnade unterzubringen, wäre, als würde man mit einer Schrotflinte ins Schwarze treffen, sagt er.
Tatsächlich macht Chlouba unmissverständlich klar, dass er und seine Kollegen weit davon entfernt sind, diesen Beschleuniger auch nur für eine reale Anwendung zu nutzen. Wenn sie das wollen, müssen sie viel mehr Elektronen mit viel höheren Energien erzeugen. Milchberg sagt, es sei auch nicht klar, ob Elektronenbündel in der Kolonnade zusammenpassen können, ohne dass ihre negativen elektrischen Ladungen sie auseinanderdrücken.
Doch wenn es den Forschern gelingt, diese Hürden zu überwinden, könnte sich Chlouba eine Vielzahl von Anwendungen für Teilchenbeschleuniger vorstellen, die auf einem Standard-Siliziumchip angeordnet werden könnten. Mediziner nutzen Elektronenbeschleuniger bereits zur Behandlung von Hautkrebs. Vor diesem Hintergrund könnten sich einige Ärzte einen Beschleuniger vorstellen, der klein genug ist, um über ein Endoskop in den Körper eingeführt zu werden. „Das ist kleiner, günstiger und passt überall hin“, sagt Chlouba.