Neue Positronenquelle könnte Lepton-Beschleunigern Auftrieb geben – Physics World

In der Schweiz durchgeführte Computersimulationen und Laborexperimente haben das Design einer neuen Art von Positronenquelle vorangetrieben, die in Leptonkollidern der nächsten Generation wie dem vorgeschlagenen verwendet werden könnte Zukünftiger Circular Collider (FCC) am CERN. Entwickelt von Nicolas Vallis und Kollegen am Paul Scherrer Institut (PSI) nutzt das Design Hochtemperatur-Supraleiter-Magnete, um Positronen zu sammeln und sie in einen engen Strahl zu fokussieren. Das Team sagt, dass seine Quelle bis 2026 voll funktionsfähig sein könnte.

Positronenquellen für Beschleuniger basieren auf einem Effekt namens Paarproduktion, bei dem ein hochenergetisches Photon mit einem Atomkern interagiert, um ein Positron und ein Elektron zu erzeugen. Dies geschieht normalerweise durch das Abfeuern eines hochenergetischen Elektronenstrahls auf ein dichtes festes Ziel. Elektronen, die von Atomen im Ziel abgelenkt werden, strahlen Photonen ab, die dann mit anderen Zielatomen interagieren, um Elektron/Positron-Paare zu erzeugen.

Obwohl dieser Ansatz viele Positronen erzeugt, fliegen sie in viele Richtungen davon. Sollen die Positronen in einem Teilchenbeschleuniger eingesetzt werden, müssen sie gesammelt und zu einem Strahl fokussiert werden. Dieser Prozess ist sehr ineffizient, da die meisten Positronen verloren gehen.

Magnetische und mechanische Herausforderungen

Heutzutage erfolgt das Sammeln und Fokussieren mithilfe von Elektromagneten, sogenannten Solenoiden. „Die Stärke herkömmlicher Magnete, selbst im Multi-Tesla-Bereich, erlaubt jedoch nur das Einfangen eines kleinen Teils der erzeugten Positronen“, erklärt Vallis. „Darüber hinaus steht ihre mechanische Umsetzung im Konflikt mit dem Ziel und hält es von seiner optimalen Position im Magnetfeld fern.“

Der Bau besserer Positronenquellen ist ein Ziel von Physikern und Ingenieuren, die an Entwürfen für zukünftige Lepton-Beschleuniger arbeiten. Dazu gehören der International Linear Collider und eine Version des FCC namens FCC-ee, die Positronen mit Elektronen kollidieren lassen würde. Das PSI-Positronenproduktions- oder P-Cubed-Experiment ist ein solcher Entwurfsversuch.

„Eine der Herausforderungen, vor denen wir stehen, besteht darin, Positronen in ausreichend großen Mengen zu produzieren, einzufangen und zu transportieren, um die gewünschte Leuchtkraft zu erreichen“, beschreibt Vallis. „P-cubed geht dieses Problem an und schlägt ein neues Positronenquellen- und Einfangsystem vor, das das Potenzial hat, die aktuelle Positronenausbeute um eine Größenordnung zu steigern.“

Neueste Fortschritte

Der Ansatz des Teams basiert auf den neuesten Fortschritten bei Magnetspulen aus Hochtemperatur-Supraleitern (HTS). Diese können viel stärkere Magnetfelder erzeugen als Magnetspulen, die herkömmliche Leiter verwenden.

In ihrer neuesten Forschung beschreiben Vallis und Kollegen, wie ihr Prototyp einer Positronenquelle am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL des PSI implementiert wird. Pulse vom SwissFEL werden Elektronenpakete in Richtung eines festen Ziels beschleunigen, das vom neuen HTS-Solenoid umgeben sein wird. Das Magnetfeld des Elektromagneten fokussiert dann Positronen in zwei aufeinanderfolgende HF-Hohlraumbeschleuniger, um einen Positronenstrahl zu erzeugen

Zusätzlich zum starken Magnetfeld des Magneten ermöglicht laut Vallis „sein mechanisches Design ein vollständiges Eintauchen des Ziels in das Magnetfeld, was optimale Bedingungen für die Positroneneinfangung schafft“.

Weitere Verbesserungen

Mit diesem Aufbau könnten die Forscher auch untersuchen, wie andere Komponenten zur Verbesserung der Positronenausbeute beitragen könnten. Dazu gehören Beschleunigungshohlräume mit großer Apertur und neuartige Anordnungen von Detektionsinstrumenten. Das P-Cubed-Experiment wird derzeit am SwissFEL installiert und soll Anfang 2026 in Betrieb gehen.

Laser erzeugt hochenergetischen Positronenstrahl

„Wenn die experimentellen Ergebnisse unseren Erwartungen entsprechen, wird P-cubed ein neues Positronenquellen- und Einfangsystem demonstrieren, das die Effizienz seiner Vorgänger um eine Größenordnung übertrifft“, sagt Vallis. „Darüber hinaus haben Magnetexperten am PSI erfolgreich einen Prototyp des HTS-Solenoids, der wohl kritischsten Komponente des Experiments, betrieben und ein Spitzenmagnetfeld von etwa 18 T gemessen.“ Im Vergleich dazu beträgt das stärkste kontinuierliche Magnetfeld, das jemals im Labor erzeugt wurde, etwas mehr als 45 T.

„P-cubed wird eine der wenigen Positronenquellen sein, die weltweit für Teilchenbeschleuniger geeignet sind, und eine einzigartige Anlage in Europa, daher wollen wir ihr volles Potenzial und ihre Innovationsfähigkeit entfalten“, sagt er. „Wir werden zum Beispiel eine Reihe neuartiger Ideen testen, etwa den Einsatz von Kristallen und konischen Targets für eine weiter verbesserte Positronenproduktion.“

Die Forschung ist beschrieben in Physikalische Überprüfungsbeschleuniger und -strahlen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-positron-source-could-give-lepton-colliders-a-boost/