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PHYSIK
Plasma aus Materie und Antimaterie im Labor
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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4. Mai 2015

Plasma gilt als vierter Zustand der Materie und kommt im Universum an den unterschiedlichsten Stellen vor. Bei der Entstehung von Gammablitzen, den sogenannten Gamma-ray Bursts, können beispielsweise extrem schnelle Jets aus einem Elektron-Positron-Plasma ins All schießen. Jetzt ist es gelungen, ein solches Plasma auch im Labor herzustellen.

Gammablitz

Bei der Entstehung von Gammablitzen können Jets aus einem Elektron-Positron-Plasma ins All schießen. Bild: ESO / A. Roquette [Großansicht]

Im täglichen Leben begegnet uns die Materie in drei Zuständen: fest, flüssig, gasförmig. Hinzu kommt als weitere Form das durch seine Eigenschaften ausgezeichnete Plasma: Ein insgesamt neutrales aber ionisiertes Gas, das aus positiven Ionen und freien Elektronen besteht und das auch als vierter Zustand der Materie bezeichnet wird.

Eine Gruppe von Experimentalphysikern der Queen’s University Belfast hat jetzt in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Theoretische Quantendynamik des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik erstmals ein neuartiges Plasma im Labor hergestellt, das ausschließlich aus Elektronen und ihren Antiteilchen (Positronen) besteht.

Das Positron ist das Antiteilchen zum Elektron, das mit diesem alle Eigenschaften gemeinsam hat, bis auf die Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen. Ultrarelativistische Jets aus einem Elektron-Positron-Plasma - also Jets, deren Partikel sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen - treten in verschiedenen astrophysikalischen Szenarien unter extremen Bedingungen auf, so beispielsweise in den Quellen von Gammablitzen oder Gamma-ray Bursts. Somit stellen sie ein einzigartiges Werkzeug zum Test von bisher unerforschten Gebieten der Physik dar und bieten zugleich tiefere Einblicke in die Eigenschaften des frühen Universums.

Die Möglichkeit der Erzeugung dieses speziellen Materiezustands erlaubt die genaue Untersuchung solcher Phänomene unter kontrollierten Bedingungen. Dieses Ziel hat nun ein Team von Experimentalphysikern um Dr. Gianluca Sarri und Prof. Matthew Zepf von der Queen’s University Belfast in intensiver Zusammenarbeit mit Antonino Di Piazza und Christoph H. Keitel aus der Abteilung für Theoretische Quantendynamik des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg erreicht. Das Experiment wurde an der Astra Gemini Laser Facility des Rutherford Appleton Laboratory im britischen Oxfordshire durchgeführt.

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Ein ultrarelativistischer Elektronenstrahl, erzeugt durch Beschleunigung im elektromagnetischen "Fahrwasser" eines hochintensiven optischen Laserpulses, trifft dabei auf ein festes Ziel aus Blei, das sogenannte Target. Die eingeschossenen Elektronen wechselwirken in komplizierter Weise mit den Kernen und Elektronen der Bleiatome und erzeugen ein Paket aus ultrarelativistischen Elektronen und Positronen, das nach dem Austritt aus dem Target auf dessen Rückseite nachgewiesen werden kann.

Dabei hängt der jeweilige Anteil von Elektronen und Positronen von der Dicke des Targets ab. Die Dichte des Plasmas erwies sich als ausreichend hoch, um kollektive Effekte zu zeigen. "Unsere Hauptaufgabe war, die wesentlichen Mechanismen zur Produktion eines Elektron-Positron-Pakets zu identifizieren, dessen Bildung und Entwicklung innerhalb des Festkörpertargets möglichst prägnant und einfach zu beschreiben und so die zugrundeliegende Physik zu ergründen", sagt Antonino Di Piazza.

Heraus kam ein überraschend simples Modell, das - neben allen möglichen Wechselwirkungen innerhalb des Targets - nur zwei fundamentale Prozesse der Quantenelektrodynamik beinhaltet, die beide in Gegenwart der durch die Atomhülle abgeschirmten elektromagnetischen Felder der Targetkerne auftreten: die Bremsstrahlung von Elektronen und Positronen und die Elektron-Positron-Paarerzeugung durch Photonen.

Sowohl analytische als auch numerische Rechnungen stimmen sehr gut mit den experimentellen Resultaten für die relativen Anteile von Elektronen und Positronen in dem erzeugten Plasmastrahl überein. Absolute Ausbeuten an Elektronen und Positronen werden durch das Modell ebenfalls gut vorhergesagt.

Um noch mehr Details der experimentellen Befunde theoretisch zu reproduzieren, hat Sarri auch den verfügbaren integrierten Monte-Carlo-Simulationscode für Teilchenphysik FLUKA genutzt. Dieser beinhaltet unter anderem auch die Wechselwirkung der Elektronen und Positronen untereinander und mit den Targetatomen sowie Hochenergieprozesse wie die Erzeugung von Myon-Antimyon-Paaren (den nächst schwereren "Verwandten" von Elektronen/Positronen unter den Elementarteilchen). Diese Mechanismen reduzieren die Ausbeute gegenüber dem einfachen analytischen Modell um rund 25 Prozent.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler jetzt in der Zeitschrift Nature Communications

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siehe auch
Plasmaphysik: Plasma der Sonne im Labor - 20. August 2012
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Kernphysik
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