Das Vakuum zum Kochen bringen

Die Quantenelektrodynamik (oder QED), die die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen und Licht beschreibt, ist eine der am besten getesteten Theorien in der Natur. Sie ist sogar eine der exaktesten physikalischen Theorien, die es gibt: Messungen und ihre Vorhersagen stimmen in fast unerreichter Genauigkeit überein. Allerdings beruht die Vorhersagekraft der QED auf störungstheoretischen Berechnungen, und wenn Teilchen mit starken elektromagnetischen Feldern interagieren, ist zu erwarten, dass diese Berechnungen nicht mehr zutreffen. Das sogenannte kritische Schwinger-Feld – der Punkt, an dem ein elektrisches Feld eine Stärke erreicht, bei der das Vakuum selbst instabil wird und aus der Feldenergie Elektron-Positron-Paare zu erzeugen beginnt – ist die Eintrittsstelle in den Bereich der QED bei starken Feldern. Bis vor kurzem war es unmöglich, ein solches Feld im Labor zu erzeugen, aber der Einsatz von Hochleistungslasern erlaubt es nun, diesen neuen Bereich der Physik zu erforschen.

Es wäre schon für sich genommen interessant, dieses unbekannte Gebiet der QED zu erforschen – jeder physikalische Effekt, den noch niemand untersucht hat, ist für Forschende interessant. Ein besseres Verständnis hätte jedoch auch Auswirkungen auf andere Bereiche der Wissenschaft. Es könnte unser Verständnis von astrophysikalischen Phänomenen wie Neutronensternen oder dem Ereignishorizont von Schwarzen Löchern erweitern, unser Verständnis von für die Fusionsforschung und Wakefield-Beschleunigung relevanten Plasmen verbessern und uns neue Einblicke in die Strahldynamik zukünftiger Teilchenbeschleuniger verschaffen, in denen Elektronen, Positronen oder Myonen miteinander kollidieren.

„Wir wissen nicht viel über QED in starken Feldern“, sagt DESY-Wissenschaftler und Teilchenphysiker Federico Meloni, der kürzlich eine Professur an der Universität Bern angetreten hat. Er ist Teil einer Gruppe von rund 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus über zehn Ländern, die sich zum Ziel gesetzt haben, diese Wissenslücke mit einer Idee für ein neues Experiment zu schliessen...

Und hier kommt LUXE ins Spiel. LUXE, kurz für „Laser Und XFEL Experiment“, ist ein geplantes Experiment, das an einer neuen Beamline des European XFEL installiert werden soll. Der European XFEL ist eine Freier-Elektronen-Röntgenlaser, der vom DESY-Campus in Hamburg bis ins benachbarte Schenefeld verläuft. Der European XFEL beschleunigt Elektronen auf bis auf 17,5 GeV, bevor er sie durch eine Reihe von Magneten leitet, durch die sie Röntgenstrahlen für alle Arten von Experimenten erzeugen – von der Materialwissenschaft bis zur Biochemie. LUXE würde hinter dem Linearbeschleuniger sitzen und Elektronen direkt aus dem Beschleuniger verwenden. Und es wäre kein Teilchenphysik-Experiment, wenn es keine Synergieeffekte gäbe, die genutzt werden könnten: Der European XFEL möchte seinen Anwendungsbereich auf wissenschaftliche Experimente in Bereichen wie der Fusionsforschung ausweiten, für die Hochleistungslaser benötigt werden ... genau wie LUXE. So schlägt das Projekt zwei Fliegen mit einer Klappe.

Der Laser hat eine so hohe Leistung, dass er fast das Schwinger-Regime erreicht. „Wir wissen, dass diese Intensität an sich nicht erreicht werden kann; dafür müsste eine Feldstärke von mehr als 10¹⁸ Volt pro Meter erreicht werden – das kann kein Labor erzeugen“, erklärt Meloni, stellvertretender Sprecher des LUXE-Experiments. „Am nächsten kommen wir dem mit Hochleistungslasern, die etwa 10¹⁴ V/m erreichen können, aber die relativistische Längenkontraktion eines hochenergetischen Strahls kann uns helfen, diese extremen Bereiche zu erreichen!“ Mit den hochenergetischen Teilchen aus dem XFEL-Strahl wollen die Forschenden die Schwinger-Schwelle überschreiten, um dann zu untersuchen und zu vergleichen, wie Teilchen erzeugt werden, wie sie sich verhalten und wie sie sich zu neuen Teilchen verbinden. „Wir verstehen die Compton-Streuung sehr gut und möchten dieses Wissen nutzen, um zu erfahren, wie sich das Phänomen in Gegenwart starker Felder verändert“, sagt er.

Das Team plant, eine Reihe verschiedener Teilchendetektoren aus unterschiedlichen Bereichen der Physik einzusetzen – beispielsweise Tracking-Detektoren, Cherenkov-Zähler und Kalorimeter aus der Teilchenphysik oder Szintillationsbildschirme, die auch in Experimenten der Forschung mit Photonen verwendet werden, die regelmässig am European XFEL durchgeführt werden. „Wir wollen Redundanz, daher werden wir versuchen, dieselben Grössen mit verschiedenen Detektionssystemen zu messen. Ausserdem wollen wir mit hoher Präzision die Phänomenologie als Funktion der Strahl- und Laserparameter charakterisieren, um mögliche Abweichungen zu erkennen.“ Die meisten dieser Detektionssysteme wurden an verschiedenen Lichtquellen und Testanlagen auf der ganzen Welt getestet, einige wurden im Design überarbeitet, sind nun aber geprüft und bald einsatzbereit.

Meloni, der aus Norditalien stammt, hält als erster eine gemeinsame Professur von einer Schweizer Universität mit DESY. Es ist allerdings nicht seine erste Verbindung zu einer Schweizer Institution. Nach Studium und Promotion an der Universität Mailand, wo er sich mit Datenanalyse und Vertex-Rekonstruktion im Rahmen des ATLAS-Experiments am CERN befasste, hat er vier Jahre als Postdoktorand in Bern verbracht, wo er die Aufrüstung des Auslesesystems des ATLAS-Pixel-Tracking-Detektors entworfen, konstruiert, getestet und kalibriert sowie nach Supersymmetrie gesucht hat. Er kam 2018 als Mitglied der dortigen ATLAS-Gruppe zu DESY und teilte seine Zeit zwischen der Arbeit an ATLAS, LUXE und zukünftigen Collidern auf. Nun kommt noch die Lehre hinzu: „Ich freue mich sehr auf diesen neuen Aspekt“, sagt er. „Mein erster Kurs beginnt bald!“

Die LUXE-Wissenschaftler:innen stehen im intensiven Austausch mit der Leitung des European XFEL, um eine Entscheidung über den Bau von ELBEX zu treffen, der neuen Beamline, die für das Experiment benötigt wird – der XFEL-Rat wird letztendlich entscheiden, ob das Projekt umgesetzt wird. Das Team hofft, dass die Synergien mit der Fusionsforschung den Rat und DESY dazu bewegen werden, dieses Programm bald zu verwirklichen.

Barbara Warmbein