Am Paul Scherrer Institut PSI sind die ersten Positronen an einer Testquelle für den geplanten Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation am CERN erzeugt worden. Der Future Circular Collider könnte in Zukunft die Nachfolge des Large Hadron Collider antreten. Die am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL installierte Quelle nutzt neue Techniken für eine hohe Positronenausbeute, darunter Hochtemperatur-supraleitende Magnete. Der erfolgreiche Test belegt die Machbarkeit des Konzepts für die Positronenquelle − ein wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung des Elektron-Positron-Kolliders.

In einem unterirdischen Bunker am Paul Scherrer Institut PSI im Kanton Aargau wurden an einer Testquelle, die die prinzipielle Machbarkeit zeigen sollte, erstmals Positronen erzeugt. «Das sind die ersten Positronen für das Future-Circular-Collider-Projekt und daher ein wichtiger Meilenstein», sagt Paolo Craievich. Der Physiker vom Zentrum für Beschleunigerwissenschaften und -technologien am PSI leitet gemeinsam mit Riccardo Zennaro das PSI-Projekt zur Positronenproduktion, P³ genannt.

Der Future Circular Collider (FCC) ist ein geplanter 91 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger, der derzeit als möglicher Nachfolger des Large Hadron Collider in den 2040er-Jahren untersucht wird. Der Kollider wird in einem Tunnel unterhalb der französisch-schweizerischen Grenzregion in der Nähe des CERN in einer durchschnittlichen Tiefe von 200 Metern untergebracht sein. Dort sollen Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, zur Kollision gebracht werden. So hofft man, neue grundlegende Fragen über die Natur des Universums zu erforschen, die mit den heutigen Kollidern nicht zu beantworten sind.

Eine der grössten technischen Herausforderungen des Kolliders besteht darin, genügend Positronen zu erzeugen und diese effizient zu einem Strahl zu bündeln – etwas, das mit den derzeitigen Technologien in dem erforderlichen Massstab noch nicht möglich ist. Forschende am PSI haben daher in den letzten fünf Jahren eine leistungsstärkere Positronenquelle entwickelt, die nun am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL installiert ist.

Höhere Positronenausbeute

Der Prototyp der Positronenquelle wird mit beschleunigten Elektronen aus dem SwissFEL getestet. Diese Elektronen treffen auf ein Wolfram-Target und erzeugen einen Positronenschauer. Die Positronenquelle soll möglichst viele dieser Teilchen aufnehmen und daraus mit starken Magnetfeldern einen fokussierten Strahl formen.

«Wenn die Elektronen auf das Target treffen, entstehen Positronen, die in viele verschiedene Richtungen fliegen», erklärt Riccardo Zennaro vom Zentrum für Beschleunigerwissenschaften und -technologien am PSI. «Die Herausforderung besteht darin, so viele wie möglich davon einzufangen und zu einem Strahl zu bündeln. Normalerweise geht in dieser Phase ein grosser Teil verloren. Unsere ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue System genügend Positronen einfangen könnte, um die Anforderungen des FCC zu erfüllen.»

Technik jenseits herkömmlicher Grenzen

Das Herzstück der Positronenquelle ist der Einfangmagnet: ein Hochtemperatursupraleiter, der das Target umgibt. Um möglichst viele Positronen einzufangen, benötigt man ein extrem starkes Magnetfeld.

Die Anforderungen überstiegen die Grenzen herkömmlicher supraleitender Magnettechnik. Deshalb entwickelten Spezialisten am PSI ein kompaktes System, das aussergewöhnlich starke Felder aufrechterhalten kann und dabei im Betrieb stabil bleibt. Dieser Magnet ist für ein Feld von rund 15 Tesla ausgelegt. Zum Vergleich: Der Einfangmagnet an der SuperKEKB-Positronenquelle in Japan – einer der leistungsstärksten derzeit in Betrieb befindlichen Positronenquellen – erreicht 3,5 Tesla.

Neben dem Einfangmagneten leiten, trennen und messen weitere neuartige Komponenten die am Target erzeugten Teilchen. Hochfrequenzgeräte beschleunigen und bündeln die Positronen, sodass sie sich effizient transportieren und schliesslich in einen Kollider einspeisen lassen. Neu entwickelte Diagnosesysteme messen, wie viele Positronen erzeugt wurden, sowie deren Zeitablauf und Energie, wodurch die Forschenden beurteilen können, wie gut die neue Quelle funktioniert.

Dass nun erstmals Positronen erzeugt werden konnten, zeigt, dass die verschiedenen Komponenten wie vorgesehen zusammenwirken. «Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für das FCC», sagt Michael Benedikt, FCC-Projektleiter am CERN. «Sie bestätigen das vorgesehene Konzept für die Positronenquelle und zeigen, dass sie das Potenzial hat, die hohen Anforderungen des Teilchenbeschleunigers zu erfüllen.»

Benedikt fügt hinzu: „Mein Glückwunsch gilt dem P³-Team und den vielen Kolleginnen und Kollegen am PSI, die diesen Erfolg möglich gemacht haben, gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern vom CERN, dem IJCLab–Université Paris-Saclay und am KEK in Japan. Diese Arbeit zeigt auch, wie wichtig die Unterstützung durch das Schweizer CHART-Programm ist. Sie trägt dazu bei, das nötige Fachwissen aufzubauen und fortschrittliche Technologien zu entwickeln, um die Vision des FCC technisch umsetzbar zu machen.»

Hochskalieren für den FCC

Nachdem nun erstmals erfolgreich Positronen erzeugt wurden, werden die Forschenden die Strahlintensität erhöhen und das System optimieren. «Unser Ziel ist es, die Positronenproduktion so hochzuskalieren, dass sie den Anforderungen des FCC entspricht, und Erfahrungen mit dieser Art von Positronenquelle zu sammeln», sagt Zennaro.

Die Positronenquelle ist Teil einer umfassenderen Zusammenarbeit zwischen dem PSI und dem CERN bei der Konzeption des Injektors für den FCC – jenem System, das die Elektronen- und Positronenstrahlen erzeugen, beschleunigen und aufbereiten wird, bevor sie in den Kollider eingespeist werden. Im Rahmen der Schweizer Initiative «Swiss Accelerator Research and Technology» (CHART) bringt das PSI seine langjährige Erfahrung in der Entwicklung, im Bau und im Betrieb beschleunigerbasierter Forschungsanlagen ein.

«Mit der Erfahrung und dem Know-how aus dem SwissFEL-Projekt können wir zu den Innovationen beitragen, die für zukünftige Elektron-Positron-Kollider benötigt werden», sagt Craievich. «Dabei wäre der Umfang wesentlich grösser: Für den SwissFEL haben wir 120 Hochfrequenzstrukturen gebaut − für den FCC-Injektor wären 440 erforderlich.»

Technologie für die Zukunft

Über Elektron-Positron-Kollider wie den FCC hinaus finden die einzelnen Technologien noch weitere Anwendungsbereiche. Hochtemperatur-supraleitende Magnete können starke Magnetfelder bei höheren Betriebstemperaturen erzeugen als herkömmliche Tieftemperatursupraleitermagnete. Dadurch brauchen sie weniger Energie für die kryogene Kühlung. «Dies ist das erste Mal weltweit, dass Hochtemperatursupraleitermagnete in einem realen Teilchenbeschleuniger zum Einsatz kommen», sagt Craievich. «In Zukunft lässt sich die Technologie wahrscheinlich in Beschleunigern für Ablenkmagnete nutzen.»

Die am PSI entwickelte Magnettechnik wird zudem für mögliche Anwendungen in der Medizintechnik, unter anderem als Gantry-Magnete für die Protonentherapie, sowie in der Fusionsforschung untersucht.

Text: Paul Scherrer Institut PSI/Miriam Arrell