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Rumänische Superlaser sollen für Antimaterie-Strahlen sorgen

Sehr stark, für das Antimaterie-Experiment aber nicht so gut geeignet: "Draco" ist einer der stärksten Laser im helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Foto: André Wirsig für das HZDR

Sehr stark, für das Antimaterie-Experiment aber nicht so gut geeignet: “Draco” ist einer der stärksten Laser im helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Die Sachsen hoffen dafür auf Hilfe aus Rumänien. Foto: André Wirsig für das HZDR

Physiker aus Dresden und San Diego möchten extreme Aktivitäten von Schwarzen Löchern und Pulsaren im Labor untersuchen

Dresden/San Diego, 22. Juli 2021. Um die höllischen Zustände rings um Schwarze Löcher und Neutronensterne auf Erden nachzustellen, wollen Physiker vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen aus den USA mit Superlasern im Labor Antimaterie-Strahlen erzeugen. Nach erfolgreichen Computersimulationen planen sie zunächst Versuche in Hamburg. Danach wollen sie die Antimaterie-Produktion nach Südosteuropa verlagern, weil die Rumänen die richtigen Superlaser dafür haben. Das geht aus einer HZDR-Mitteilung hervor.

Antimaterie-Geburt in Gamma-Fluten

Hintergrund: Astrophysiker würden gerne verstehen, warum uralte Riesensterne, die zu Neutronensternen oder gar Schwarzen Löchern kollabiert sind, eigentlich so starke Magnetfelder erzeugen und extrem energiereiche Partikelstrahlen ins All schießen. Da Schwarze Löcher auf Erden mindestens gegen den Arbeitsschutz verstoßen würden, mussten sich die Wissenschaftler eine Simulation solcher Extremprozesse im Kleinen ausdenken. Dafür wollen sie mit zwei extrem starken Lasern einen Kunststoff-Block beschießen, der von mikrometerfeinen Kanälen durchzogen ist. Das Licht soll zwei Elektronenwolken aufeinander zu treiben, beim Zusammenstoß harte Gamma-Quanten erzeugen, die sich dann nach Albert Einsteins berühmter Formel E = mc2 (Energie ist Masse mal Quadrat der Lichtgeschwindigkeit) in Materie und Antimaterie umwandeln.

Die Gamma-Photonen sin durch den Laserbeschuss im Plasma letztlich so dicht, dass dabei dabei Materie-Antimaterie-Paare entstehen. Abb.: Toma Toncian für das HZDR

Die Gamma-Photonen sin durch den Laserbeschuss im Plasma letztlich so dicht, dass dabei dabei Materie-Antimaterie-Paare entstehen. Abb.: Toma Toncian für das HZDR

Superlaser machen Riesen-Beschleuniger überflüssig

„Dieser Prozess wird von sehr starken Magnetfeldern begleitet“, erklärt Projektleiter Alexey Arefiev von der University of California in San Diego. „Die Magnetfelder können die Positronen zu einem Strahl bündeln und stark beschleunigen.“ Auf einer Strecke von nur 50 Mikrometern (Tausendstel Metern) sollten die Teilchen eine Energie von einem Gigaelektronenvolt (GeV) erreichen – eine Größe, für die es für gewöhnlich einen kompletten Teilchenbeschleuniger braucht.

Projektleiter freut sich: Das wird wie neben einem Pulsar

Ähnliche Prozesse spielen sich womöglich in der Magnetosphäre von Pulsaren ab, also von schnell rotierenden Neutronensternen. „Mit unserem neuen Konzept ließen sich solche Phänomene zumindest ansatzweise im Labor simulieren, wodurch wir sie dann besser verstehen würden“, meint Arefiev. Als Produktionsort für ihre Antimaterie-Strahlen haben die Physiker die noch junge Laseranlage „ELI-NP“ („Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics“) in Rumänien ins Auge gefasst. Die hat nämlich zwei ultrastarke Laser, die simultan auf ein Ziel feuern können.

Autor: hw

Quelle: HZDR

Wissenschaftliche Publikation:

Y. He, T. Blackburn, T. Toncian, A. Arefiev: Dominance of γ-γ electron-positron pair creation in a plasma driven by high-intensity lasers, in Communications Physics, 2021 (DOI: 10.1038/s42005-021-00636-x)