Amerikaanse fysici zetten turbo op deeltjesversneller

Bij het SLAC (rechts) in de VS wordt in een plasmaversneller een deel van een elektronenpakketje (met een energie van 42 GeV) tot ruim 70 GeV versneld.

De lineaire versneller bij het Amerikaanse Stanford Linear Accelerator Centre (SLAC) is drie kilometer lang. Die lengte is nodig om elektronen voort te jagen tot bijna de lichtsnelheid en om ze zo een energie te geven van 42 Giga-elektronvolt (GeV). Fysicus Ian Blumenfeld en zijn collega’s zijn er nu in geslaagd die energie te verdubbelen met een apparaat van maar 85 centimeter lengte. Daarin gebruiken ze de turbulentie in een plasma, die in het kielzog van de elektronenbundel ontstaat (Nature, 15 februari).

Met de inmiddels ontmantelde LEP-versneller bij het Europees instituut voor deeltjesonderzoek Cern, bij Genève, zijn elektronen tot een record van 100 GeV versneld. De LHC-versneller daar moet vanaf volgend jaar nog hogere energieën bereiken door (zwaardere) protonen te versnellen in plaats van elektronen. Maar deze versnellers hebben en hadden een omtrek van 27 kilometer, terwijl aan LHC een prijskaartje van acht miljard hangt. Daarbij vergeleken is de ‘turbo’ die Blumenfield en collega’s aan de SLAC-versneller hebben gekoppeld een eenvoudig en goedkoop geval.

Het team stuurde de pakketjes elektronen uit de SLAC-versneller door een met lithiumdamp gevulde buis. De voort jakkerende elektronen rukken tijdens hun passage elektronen los van de lithiumatomen en creëren zo een plasma (een toestand van vrije elektronen en resterende lithiumionen). Na passage van het pakketje bewegen de losgemaakte elektronen terug naar de lithiumionen, maar gaan te snel, schieten er voorbij, bewegen weer terug enzovoorts. De zo ontstane oscillaties in het plasma zorgen voor krachtige, wisselende elektrische velden die een deel van de elektronen uit het pakketje juist vooruit stuwen. Gemiddeld bereikten die zo een energie van 71 GeV, met overigens flink wat (ongewenste) spreiding.

Het is voor het eerst dat dit kielzogeffect over zo’n lange afstand standhield. Eerder lukte dat maar over enkele centimeters. Turbulentie loodrecht op de bewegingsrichting maakte het versnelde elektronenpakketje daarna stuurloos – zodat het alle kanten uitschoot als een sproeiende tuinslang die niet wordt vastgehouden. Maar er zijn ook nog veel horden te nemen voor de turbo. Margriet van der Heijden