Am Paul Scherrer Institut in Villigen ist erstmals eine Positronenquelle getestet worden, die eines Tages Teil des grössten geplanten Teilchenbeschleunigers der Welt werden könnte. Für den Future Circular Collider des CERN ist die Erzeugung der Antiteilchen eine der technischen Schlüsselfragen.
Villigen – Die entscheidende Frage ist zunächst eine ziemlich kleine: Wie bekommt man möglichst viele Positronen aus einem Stück Metall heraus?
Im Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen wird daran seit fünf Jahren gearbeitet. Nun hat die dort entwickelte Testquelle erstmals Positronen erzeugt. Das ist ein wichtiger Schritt für ein Projekt, das derzeit noch gar nicht gebaut wird: den Future Circular Collider (FCC), den möglichen Nachfolger des Large Hadron Collider am CERN.
Der geplante Beschleuniger soll einen Umfang von rund 91 Kilometern haben. In seiner ersten Ausbaustufe, dem FCC-ee, würden Elektronen und Positronen aufeinanderprallen. Die Maschine soll damit Präzisionsmessungen ermöglichen, unter anderem am Higgs-Boson. Doch bevor Teilchen in einem 91 Kilometer langen Ring kollidieren können, müssen sie zunächst einmal erzeugt und in brauchbare Strahlen verwandelt werden.
Bei den Elektronen ist das vergleichsweise gut beherrschbar. Die Positronen sind schwieriger.
Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen. Treffen Elektronen am PSI auf ein Target aus Wolfram, entsteht unter anderem ein Schauer aus Positronen. Die Teilchen verlassen das Target jedoch nicht als ordentlicher Strahl. Sie fliegen in unterschiedliche Richtungen und müssen möglichst schnell eingefangen und gebündelt werden.
Genau an dieser Stelle setzt die neue Quelle an.
Ihr auffälligstes Bauteil ist ein kompakter supraleitender Magnet, der das Target umschliesst. Er soll die Positronen unmittelbar nach ihrer Entstehung einfangen. Das Magnetfeld ist mit rund 15 Tesla aussergewöhnlich stark. Zum Vergleich: Der Einfangmagnet der Positronenquelle des japanischen SuperKEKB erreicht 3,5 Tesla.
Der Unterschied ist nicht bloss eine Frage technischer Eleganz. Je mehr Positronen bereits bei ihrer Erzeugung und beim Einfangen verloren gehen, desto schwieriger wird es, am Ende einen ausreichend intensiven Strahl für den Beschleuniger bereitzustellen.
„Wenn die Elektronen auf das Target treffen, entstehen Positronen, die in viele verschiedene Richtungen fliegen“, sagt Riccardo Zennaro vom PSI. Die Aufgabe bestehe darin, möglichst viele von ihnen einzufangen und zu einem Strahl zu bündeln. Die ersten Ergebnisse deuteten darauf hin, dass das neue System genügend Positronen erfassen könnte, um die Anforderungen des FCC zu erfüllen.
Das ist allerdings noch keine fertige Positronenquelle für einen künftigen Grossbeschleuniger. Der jetzige Versuch ist ein Nachweis des Prinzips. Als Nächstes wollen die Forschenden die Intensität des Positronenstrahls erhöhen und die Anlage weiter optimieren. Erst dann wird sich zeigen, ob sich das Konzept auf die für den FCC benötigte Grössenordnung übertragen lässt.
Warum ausgerechnet Positronen?
Der FCC-ee wäre keine grössere Version des LHC. Die beiden Maschinen würden unterschiedliche Fragen mit unterschiedlichen Methoden untersuchen.
Im LHC werden Protonen beschleunigt und zur Kollision gebracht. Protonen bestehen aus Quarks und Gluonen; bei einer Kollision entsteht deshalb ein äusserst komplexes Gemisch. Elektronen und Positronen sind dagegen Elementarteilchen. Ihre Kollisionen lassen sich sehr viel präziser untersuchen.
Das macht einen Elektron-Positron-Kollider besonders interessant für die Vermessung bereits entdeckter Teilchen. Das Higgs-Boson etwa wurde 2012 am CERN gefunden. Nun geht es zunehmend darum, seine Eigenschaften möglichst genau zu bestimmen. Kleine Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells könnten Hinweise auf Teilchen oder Kräfte liefern, die bislang nicht beobachtet wurden.
Der FCC soll dafür eine Art Präzisionslabor werden. Das Konzept sieht zunächst einen Elektron-Positron-Kollider vor; später könnte derselbe Tunnel für einen Protonenbeschleuniger genutzt werden. Ob es tatsächlich so weit kommt, ist allerdings offen.
Denn der FCC ist noch kein Bauprojekt.
Die Europäische Strategie für Teilchenphysik hat den FCC-ee in diesem Jahr als bevorzugte Option für das nächste grosse CERN-Projekt benannt. Eine endgültige Entscheidung über den Bau soll nach derzeitigem Zeitplan 2028 fallen. Der geplante Tunnel würde sich in der Region um CERN unter der französisch-schweizerischen Grenze erstrecken und durchschnittlich etwa 200 Meter unter der Erde liegen.
An einer Testquelle am SwissFEL des PSI wurden erstmals erfolgreich Positronen für das Future Circular Collider FCC-Projekt erzeugt. Nachdem damit die grundsätzliche Machbarkeit des Konzepts demonstriert wurde, wollen die Forschenden nun die Positronenausbeute auf das für den FCC erforderliche Niveau steigern. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic
Damit bekommt der kleine Versuch im Untergrund des PSI eine grössere Bedeutung. Er soll nicht beweisen, dass der FCC gebaut wird. Er soll zeigen, dass eine seiner technischen Hürden überwunden werden kann.
Ein Magnet, der mehr kann als Teilchen einfangen
Der 15-Tesla-Magnet ist dabei selbst ein Forschungsprojekt. Das PSI setzt auf Hochtemperatur-Supraleiter. Sie können starke Magnetfelder bei höheren Temperaturen aufrechterhalten als klassische Tieftemperatur-Supraleiter. Das kann die Kühlung vereinfachen und langfristig den Energiebedarf entsprechender Anlagen verringern.
Nach Angaben des PSI werden Hochtemperatur-Supraleitermagnete damit erstmals in einem realen Teilchenbeschleuniger eingesetzt. Die Technologie könnte später auch für andere Beschleuniger interessant werden. Am PSI wird unter anderem untersucht, ob sich solche Magnete für medizinische Anlagen zur Protonentherapie oder für Anwendungen in der Fusionsforschung eignen.
Der Weg vom Prototypen zur Grossanlage ist allerdings lang. Für den möglichen FCC-Injektor wären nicht nur eine Positronenquelle und ein starker Magnet nötig. Die Teilchen müssten erzeugt, beschleunigt, gebündelt, vermessen und schliesslich in den Kollider eingespeist werden. Das PSI arbeitet deshalb gemeinsam mit dem CERN sowie Partnern in Frankreich und Japan an verschiedenen Teilen des Systems.
Die Dimensionen würden sich gegenüber heutigen Anlagen erheblich verändern. Beim SwissFEL, dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser des PSI, wurden nach Angaben des Instituts 120 Hochfrequenzstrukturen gebaut. Für den Injektor des FCC wären 440 vorgesehen.
Noch ist das eine Zahl aus einem Entwurf, nicht aus einer Baustelle.
Aber die ersten Positronen gibt es nun tatsächlich.
Für Paolo Craievich, der das Positronenprojekt am PSI gemeinsam mit Zennaro leitet, sind sie deshalb ein wichtiger Meilenstein. Für die Physik des FCC ist der Versuch vorerst vor allem eines: ein technischer Test mit offenem Ausgang.
Ob daraus eines Tages ein Strahl für einen 91 Kilometer langen Beschleuniger wird, muss sich erst noch zeigen.
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