Laser-Plasma-Beschleuniger können elektrische Felder erzeugen, die tausendmal stärker sind als bei konventionellen Maschinen, indem sie Elektronen auf dem Kielwasser eines intensiven Laserpulses surfen lassen — doch ein hartnäckiger Fehler begrenzt ihre Energie: das "Dephasing". Elektronen holen den Laser, der sich im Plasma etwas langsamer als Licht bewegt, schnell ein und fallen aus der beschleunigenden Welle heraus.

In einer neuen Studie in Nature Physics nutzte ein internationales Team unter der Leitung von Charlie Arrowsmith am Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester einen "Flying Focus", um diese Grenze zu durchbrechen. Statt eines festen Brennpunkts erzeugt die Technik einen verlängerten Fokus, dessen Intensitätsmaximum wandert — und wenn man ihn so abstimmt, dass er sich mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit bewegt, können die beschleunigten Elektronen der Welle nie davonlaufen.

Am MTW-OPAL-Lasersystem von LLE demonstrierte das Team dephasingfreie Beschleunigung und trieb Elektronen auf mehr als das Doppelte der Energie, die die traditionelle Grenze über dieselbe Distanz vorhersagen würde. Es ist der erste Machbarkeitsnachweis, dass die seit langem bestehende Obergrenze überschritten werden kann.

Die Auswirkungen sind erheblich. Die Technik könnte es ermöglichen, in einem meterlangen Plasma 100-GeV-Elektronenstrahlen zu erzeugen — Energien, die zuletzt der 27 Kilometer lange Large Electron-Positron Collider des CERN in den 1990er Jahren erreichte — und langfristig sogar Tischbeschleuniger im TeV-Bereich. Solche Maschinen könnten den Zusammenbruch der Quantenelektrodynamik in extrem starken Feldern testen.

Das Team entwirft bereits maßgeschneiderte Optiken, um die Geschwindigkeit des Flying Focus perfekt auf die Elektronen abzustimmen — ein Schritt zur Hochskalierung des Konzepts an der geplanten OPAL-Anlage der NSF. Wenn es funktioniert, werden die Teilchenbeschleuniger der Zukunft vielleicht in Metern statt in Kilometern gemessen.

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