Playing Billiards with a Laser Beam

A research team led by physicists at LMU Munich reports a significant advance in laser-driven particle acceleration. Using tiny plastic beads as targets, they have produced proton bunches that possess unique features, opening up new opportunities for future studies. The experiments were performed at the PHELIX laser on the campus of GSI und FAIR.

In their experiments, a team led by physicists at LMU Munich fired a powerful laser pulse at a micrometer-sized plastic sphere, blasting a bunch of protons from the target and accelerating them to velocities approaching the speed of light. The resulting velocity distribution is much narrower than that obtained when thin metal foils are used as targets. The physicists now present their research results in the scientific journal Nature Communications.

Recent years have seen remarkable advances in the development of a new approach to the acceleration of subatomic particles. This strategy makes use of the intense electric fields associated with pulsed, high-energy laser beams to accelerate electrons and protons to ‘relativistic’ velocities (i.e. speeds approaching that of light). Hitherto, the laser shot has generally been directed at a thin metal foil, generating and accelerating a plasma of free electrons and positively charged ions. Physicists at LMU have now replaced the foil target by a plastic microsphere with a diameter of one-millionth of a meter. These beads are so tiny that they cannot be stably positioned by mechanical means. Instead, the researchers use an electric field to levitate the target particle. Using a feedback circuit, the levitated bead can be trapped with sufficient precision to ensure that it does not drift off the beam axis. The electromagnetic trap was designed and built in the Department of Medical Physics at LMU.

“The basic approach is analogous to collisions between billiard balls. In our experiment, one of the balls is made of light and the other is our tiny levitated target,” explains Peter Hilz, who led the experiments. This novel approach to the generation of proton beams will make experiments feasible which have hitherto been out of reach.

This news is based on a press release by the Ludwig-Maximilians-University Munich.

Billard mit Licht

Künstlerische Darstellung der Laser-Plasma-Interaktion Bild: Marcel Menke/LMU

Ein Team unter der Leitung von LMU-Physikern revolutioniert die lasergetriebene Beschleunigung von Protonen durch winzige Plastikkügelchen. Die erzeugten Protonenstrahlen besitzen einzigartige Eigenschaften, von der zukünftige Anwendungen profitieren können. Die Experimente wurden am PHELIX-Laser auf dem Campus von GSI und FAIR durchgeführt.

Ein Team unter der Leitung von Physikern der LMU hat auf winzige Plastikkügelchen starke Laserpulse auftreffen lassen. Durch diese Interaktion beschleunigten sie einen Teil der Kügelchen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit. Der produzierte Protonenstrahl unterscheidet sich grundlegend von den bisher mit Folien erzeugten Strahlen: Er weist eine um ein Vielfaches größere Dichte an Teilchen auf. Darüber berichten die Forscher aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Eine neue Entwicklung in der Beschleunigertechnologie sind lasergetriebene Plasmabeschleuniger. Dabei werden Elektronen oder Protonen mit Hilfe starker Laser nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. Als Quelle für die Protonen dient in der Regel eine dünne Folie, die mit einem starken Laserpuls beschossen wird. Physiker der LMU haben nun diese Folie durch schwebende Plastikkügelchen ersetzt. Der Durchmesser dieser Kugeln beträgt nur einen Millionstel Meter. Die Mikrokugeln sind so klein, dass man sie weder aufhängen noch aufspießen kann. Die Forscher ließen die Kugeln mit hoher Präzision schweben. Die dazu benötigte Apparatur wurde am Lehrstuhl für Medizinphysik an der LMU entwickelt.

„Vereinfacht, kann man sich das Experiment wie beim Billardspiel vorstellen, wobei die eine Kugel aus Licht besteht und die andere unsere mikroskopisch kleine schwebende Kugel darstellt“, erklärt Peter Hilz, der Leiter des Experiments. Die neuen Protonenstrahlen werden Experimente ermöglichen, die früher als undurchführbar galten.

Diese Meldung basiert auf der Pressemitteilung der Ludwig-Maximilians-Universität München.

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