In een buis van 20 centimeter lang hebben fysici elektronen een energie gegeven waar andere deeltjesversnellers honderden meters voor nodig hebben. Hiervoor gebruikten ze een krachtige laserboor die door het plasma heen boort. De internationale groep fysici vestigt hiermee een record voor het versnellen van elektronen in een zogeheten plasmaversneller.

In de huidige versnellers worden geladen deeltjes zoals elektronen en protonen versneld door ze met wisselende elektrische velden telkens een duw te geven. Voor elke duw moeten de deeltjes door een ruimte met een krachtig elektrisch veld. Hoe meer je de deeltjes wilt versnellen, hoe meer van die ruimtes je nodig hebt – en hoe groter de versneller dus wordt. Dat maakt deeltjesversnellers groot en duur.

‘Ik wil uiteindelijk een mooie ribeye-steak maken’
LEES OOK

‘Ik wil uiteindelijk een mooie ribeye-steak maken’

Tien jaar geleden presenteerde Mark Post de eerste in het lab gemaakte hamburger. Wanneer kunnen wij daar onze tanden in zetten?

Plasmaversnellers kunnen deeltjes dezelfde snelheid en energie geven, terwijl ze veel kleiner zijn. In dergelijke versnellers laten onderzoekers deeltjes surfen op een golf van plasma: een soep waarin positief geladen moleculen en negatief geladen elektronen door elkaar heen zoeven. Met deze techniek kunnen deeltjes in een veel kortere afstand een hoge snelheid en energie krijgen dan in de huidige versnellers.

Laserboor

In het plasma wordt een ladingsgolf opgewekt door er een laserstraal doorheen te sturen. Het laserlicht duwt een deel van het plasma weg, waardoor er een soort hekgolf van lading achter ontstaat. Dat is vergelijkbaar met de hekgolf die achter een speedboot ontstaat. De laserstraal kun je daarbij zien als de boot. Vervolgens versnel je de deeltjes door ze mee te laten surfen op die hekgolf. Hoe krachtiger de laser, hoe hoger de versnelling.

Momentopname van de tunnel in het plasma (dichtheid weergegeven in blauw), gevormd in een buis (grijs) door een pulserende laser (rood/geel). Bron: Gennadiy Bagdasarov/Keldysh Institute of Applied Mathematics; Anthony Gonsalves and Jean-Luc Vay/Berkeley Lab

In een eerder experiment van dezelfde groep, bij het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center in de Verenigde Staten, raakten de onderzoekers de controle over hun laserstraal kwijt. Daardoor raakte de laserstraal de buis, die toen ernstige schade opliep.

Om dit te voorkomen, gebruikten de onderzoekers twee laserstralen. De eerste zendt licht niet continu uit, maar in pulsen. Die pulsen boren een pad door het plasma. Dat pad heeft een lagere dichtheid dan de omgeving, waardoor het een soort tunnel is.

Vervolgens stuurden de onderzoekers een continue laserstraal achter die pulsen aan het plasma in. Die  raakte dan gevangen in de tunnel, zodat hij netjes in het midden bleef. De tweede laserstraal is dan de boot die de hekgolf creëert waarop de elektronen meesurfen.

Nieuw gereedschap

Met die techniek doorboorden de onderzoekers een plasma dat gevangen zat in een saffieren buis van 20 centimeter lang en 0,8 millimeter in doorsnee. De laserpulsen hadden een maximaal vermogen van 850 biljoen watt. Elke puls duurde slecht 35 biljardste van een seconde. Zo gaven de onderzoekers een bundel elektronen een recordenergie van 7,8 miljard elektronvolt (7,8 GeV). Het vorige record stond op 4,25 GeV.

‘We hebben nieuw gereedschap ontwikkeld voor in de gereedschapskist’, zegt Wim Leemans, accelerator director bij het Duitse nationale laboratorium voor hoge-energiefysica DESY en leider van het onderzoek. ‘Samen met andere technieken voor versnelling, bundelstabiliteit en bundelcontrole die bij DESY bestaan, kunnen we compacte elektronenversnellers gaan bouwen. De tijd is aangebroken om laserplasmaversnelling van het lab naar de toepassing te brengen.’

Met deze 20 centimeter lange, saffieren buis met plasma is het record gezet. Bron: Lawrence Berkeley National Laboratory, Marilyn Chung

Wetenschappelijke en medische toepassingen

Deeltjesfysici gebruiken versnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) in Genève om meer te weten te komen over de bouwstenen van ons universum. Maar deeltjesversnellers hebben ook praktische toepassingen. Zo zijn er versnellers die straling of radioactieve isotopen produceren voor bijvoorbeeld uitwendige radiotherapie tegen kanker.

Dergelijke medische versnellers zijn kleiner dan bijvoorbeeld de LHC, die een omtrek van 27 kilometer heeft. Maar ze hebben nog steeds niet bepaald een handzaam formaat. Daarom staan ze slechts bij enkele onderzoeksinstituten en ziekenhuizen. Verdere ontwikkeling van plasmaversnellers zou deze apparaten een stuk kleiner en breder toepasbaar kunnen maken.