Met plasmagolven kunnen deeltjesversnellers veel kleiner worden

Deeltjesversnellers Door elektronen te laten surfen op een plasmagolf kunnen ze enorm versneld worden. Deeltjesversnellers kunnen zo krimpen.

In een plasma kan een ladingsgolf ontstaan door er een bundel laserlicht of een bundel elektronen of protonen doorheen te schieten. Als de bundel uit elektronen bestaat duwt die losse elektronen in het plasma weg, waardoor er een hekgolf van lading ontstaat waarbij de top van de golf negatief geladen is en het dal positief. Zo’n golf is vergelijkbaar met de hekgolf achter een speedboot. Als je negatief geladen deeltjes, zoals elektronen, wilt versnellen plaats je die achter de ‘boot’ op de top van de ladingsgolf. Door de positieve lading in het dal worden de negatieve elektronen naar beneden getrokken en versnellen ze. Zo surfen elektronen mee op een plasmagolf en worden ze versneld – als een surfer op een golf. Illustratie NRC/AWAKE

Bij het Advanced Wakefield-experiment (AWAKE) bij CERN in Genève hebben onderzoekers elektronen laten surfen op een plasmagolf gecreëerd door protonen. Hiermee kunnen elektronen in enkele meters tot bijna de lichtsnelheid versneld worden. Deze techniek kan gebruikt worden om versnellers te maken die veel kleiner en efficiënter zijn dan de huidige, kilometerslange deeltjesversnellers, zoals de LHC bij CERN. De resultaten verschenen woensdag in Nature.

Deeltjesfysici bouwen steeds grotere deeltjesversnellers. Hiermee worden deeltjes versneld tot bijna de lichtsnelheid om ze vervolgens op elkaar te laten knallen. Uit de enorme hoeveelheid energie die hierbij vrijkomt ontstaan nieuwe deeltjes die onderzoekers bestuderen om meer te weten te komen over de bouwstenen van het universum. Hoe hoger de snelheid, hoe meer deeltjes er geproduceerd kunnen worden.

Daarnaast hebben deeltjesversnellers ook praktische toepassingen. De straling die bij uitwendige radiotherapie gebruikt wordt om kanker te bestrijden bestaat bijvoorbeeld uit versnelde elektronen of fotonen. In de huidige medische versnellers worden geladen deeltjes meestal versneld door ze met wisselende elektrische velden een zet te geven. De apparatuur kan hiervoor elektrische velden van maximaal enkele tientallen miljoenen volt per meter opwekken. Hoe groter de versneller hoe meer energie de deeltjes krijgen, maar grote apparaten zijn duur. Plasmaversnellers kunnen uitkomst bieden. Plasma kan sterkere elektrische velden aan dan de apparatuur in de huidige versnellers. Zo kan een plasmaversneller deeltjes over dezelfde afstand ruim honderd keer meer energie geven.

Een surfer op een grote golf gaat harder dan een surfer op een kleine golf.

Een plasmaversneller bestaat uit een buis met gas. Dat gas wordt bestraald met een laser waardoor het een zogeheten geïoniseerde plasma vormt. In een gas hebben atomen geen lading. De kern is positief en eromheen draaien negatief geladen elektronen. In een plasma zijn een of meer elektronen niet langer gebonden aan de atoomkernen, ze bewegen vrij rond. Plasma is dus een soep van vrije, negatief geladen elektronen en positief geladen atomen (ionen).

In een plasma kan een ladingsgolf ontstaan door er een bundel laserlicht of een bundel elektronen of protonen doorheen te schieten. Als de bundel uit elektronen bestaat duwt die losse elektronen in het plasma weg, waardoor er een hekgolf van lading ontstaat waarbij de top van de golf negatief geladen is en het dal positief. Zo’n golf is vergelijkbaar met de hekgolf achter een speedboot. Als je negatief geladen deeltjes, zoals elektronen, wilt versnellen plaats je die achter de ‘boot’ op de top van de ladingsgolf. Door de positieve lading in het dal worden de negatieve elektronen naar beneden getrokken en versnellen ze. Zo surfen elektronen mee op een plasmagolf en worden ze versneld – als een surfer op een golf.

De meeste plasmaversnellerexperimenten gebruiken elektronenbundels of lasers als ‘boot’. Met name de versnellers die lasers gebruiken passen in theorie op een tafel.

Protonen

Maar bij AWAKE willen ze snelheden halen die groter zijn dan die van elektronen achter een laser-boot. Daarom gebruiken de onderzoekers hier protonen om golven te veroorzaken. Hun experiment – het eerste in zijn soort – bestaat uit een met plasma gevulde buis van tien meter lang, met een diameter van vier centimeter. „Er worden protonen gebruikt omdat die meer energie hebben dan elektronen waardoor ze een grotere golf veroorzaken. En een grotere golf betekent meer snelheid voor de meesurfende deeltjes”, legt Rende Steerenberg uit. Steerenberg werkt bij CERN en is verantwoordelijk voor de installatie die de protonenbundels voor AWAKE levert. „Dat is vergelijkbaar met surfers. Een surfer die surft op een grote golf gaat harder dan een surfer op een kleine golf.”

Lees ook: Zo creëren wetenschappers in deeltjesversnellers de hete soep van net na de oerknal, quark-gluonplasma

Bovendien kunnen bundels protonen grotere afstanden afleggen in het plasma dan elektronen of lasers voordat ze afgezwakt zijn. „De protonenbundels kunnen golven veroorzaken op een schaal van kilometers, terwijl lasers en elektronen niet verder komen dan ongeveer een meter”, mailen Edda Gschwendtner, projectleider bij AWAKE en Mattew Wing, hoogleraar natuurkunde aan University College London. Beiden zijn auteur van het Nature-artikel.

De protonenbundel die in AWAKE de ‘boot’ voorstelt, moet gemaakt worden in een protonenversneller. Er is dus een versneller nodig om deze plasmaversneller op gang te brengen. Daardoor is het complex van een plasmaversneller met protonen een stuk groter dan wanneer er een laser wordt gebruikt. Het past niet op je bureau.

AWAKE is een proof-of-concept-experiment waarmee de komende tien jaar getest zal worden. Daarna willen de onderzoekers de plasmaversneller en de infrastructuur er omheen opschalen om de versneller voor deeltjesfysica onderzoek te gebruiken. „Ik denk dat er toekomst is voor plasmaversnellers in de deeltjesfysica”, zegt Steerenberg. „Maar ik denk dat het nog 20 tot 30 jaar duurt voordat we het op grotere schaal toe kunnen passen.”

    • Dorine Schenk