Laserblitze für polarisierte Elektronen- und Positronenstrahlen

Die Polarisation von Wellen beschreibt deren Schwingungsrichtung, für Licht als elektromagnetische Welle ist dies die Richtung des elektrischen Feldvektors. Bei Teilchenstrahlen spricht man von Polarisation, wenn die Teilchen einen inneren Drehimpuls, den sog. Spin besitzen, den man sich als mikroskopische Kreisel vorstellen kann. Die Polarisation beschreibt hier die Richtung der Drehachse.

Die Wechselwirkung von Licht und Teilchen ist in vielen Fällen von der jeweiligen Polarisation abhängig. Aus der Chemie z. B. kennt man die Drehung der Polarisationsebene von Licht, das eine Zuckerlösung durchläuft; in der Kernphysik erweisen sich die Kräfte zwischen den Nukleonen in einem Atomkern als von deren Spin abhängig. Daher sind für Experimente intensive polarisierte Strahlen von hohem Interesse.

Für geladene Teilchen mit Spin, z. B. Elektronen, ist es aber sehr schwierig, die gewünschte Spinausrichtung zu präparieren. Zwar verhalten sich diese wie kleine Magnetnadeln und könnten mit Magnetfeldern hinsichtlich ihres Spins getrennt werden. Zugleich wirkt aber die sog. Lorentzkraft, welche an der Bewegung der Elektronen angreift.

Um beide Einflüsse gleichzeitig zu kontrollieren, müssen Ort und Geschwindigkeit sehr genau bekannt sein – und dem steht fundamental die Unschärferelation der Quantenphysik entgegen. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, dieses Problem zu umgehen, indem z. B. schon bei der Erzeugung von Elektronenstrahlen eine Spinrichtung bevorzugt wird, oder indem relativistische Effekte in Speicherringen ausgenutzt werden. Diese sind aber nicht besonders effizient hinsichtlich des erreichbaren Polarisationsgrads oder der Ausbeute an polarisierten Teilchen.

Physiker der Theorieabteilung von Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik und der Xi’an-Jiaotong-Universtät (China) um Jianxing Li haben nun eine neue Methode vorgeschlagen, mit der sich relativistische, unpolarisierte Elektronenstrahlen durch Beschuss mit intensiven polarisierten Laserpulsen in Teilstrahlen mit entgegengesetztem Spin trennen lassen [1].

Hierzu haben sie Monte-Carlo-Simulationsrechnungen durchgeführt, in welchem ein Paket relativistischer Elektronen einem polarisierten hochintensiven Laserblitz entgegenläuft. Es zeigt sich, dass für leicht elliptisch polarisiertes Licht der Elektronenstrahl in Richtung des kleinen Durchmessers der Polarisationsellipse (siehe Abb. 1) in zwei Komponenten mit jeweils entgegengesetztem Spin ±S (blau/rot) aufspaltet.

Zugrunde liegt dabei die so genannte Strahlungsrückwirkung. Die Elektronen werden im Laserfeld von dessen elektrischer und magnetischer Kraft hin- und hergetrieben und diese Bewegung führt wiederum zur Abstrahlung von Lichtquanten, die zudem von der Spinrichtung abhängt. Hierbei erfährt das Elektron einen kleinen Rückstoß, was seine Bewegungsrichtung ändert.

Für rein lineare (a) oder zirkulare Polarisation (b) des Lasers geschieht dies aber in gleicher Weise für alle möglichen Richtungen, welche die oszillierenden Felder annehmen können, so dass am Ende Elektronen einer bestimmten Spinrichtung eine Ablenkung sowohl nach links wie nach rechts erfahren. Für leicht elliptische Polarisation ist aber diese Symmetrie aufgehoben und ergibt den gewünschten Effekt der Spintrennung. In den Rechnungen ergab sich ein Polarisationsgrad von bis zu 70%.

In einer weiteren Studie haben die Heidelberger Physiker ein Verfahren zur Herstellung polarisierter Positronen (Antiteilchen des Elektrons) untersucht [2]. Hierbei wird den relativistischen Elektronen ein asymmetrisch linear polarisierter Laserpuls entgegen geschossen, dessen Feld in einer Richtung deutlich stärker ist. Dies lässt sich durch Überlagerung zweier Laserpulse verschiedener Farbe erreichen.

Durch Wechselwirkung der energiereichen Elektronen mit dem hochintensiven Laserfeld werden Elektron-Positron-Paare erzeugt, die in Richtung bzw. entgegen der magnetischen Komponente des Lasers polarisiert sind. Diese Paarerzeugung ist ein nichtlinearer Prozess, der bei schwächeren Feldern stark unterdrückt wird. Daher bewirkt die Asymmetrie des Laserpulses eine deutliche Polarisation der erzeugten Positronen von bis zu 60%. Dies genügt den Anforderungen für verschiedene Anwendungen in der Hochenergiephysik.

Schließlich wurde in einer dritten Arbeit der Heidelberger Theoriegruppe die Erzeugung hochintensiver polarisierter Elektronenstrahlen betrachtet [3]. Experimentell wurde kürzlich gezeigt, dass mit zirkular polarisierten Laserstrahlen aus Molekülen polarisierte Gastargets sehr hoher Dichte erzeugt werden können.

Beschießt man ein solches Target mit einem hochintensiven Laser, so bildet sich ein Plasma worin sich Störungen wellenförmig ausbreiten und quasi in deren „Kielwasser“ Elektronen auf hohe Energien beschleunigt werden („Kielwasser-Beschleunigung“, siehe Abb. 2). Ein Problem sind die dabei auftretenden Magnetfelder, welche die Spinrichtung ändern und so zu einer Depolarisation führen können. Exakt auf der Stahlachse verschwinden diese Magnetfelder.

Mittels „Particle-in-Cell“-Simulationen konnten die Heidelberger Theoretiker Bedingungen finden, unter welchen die beschleunigten Elektronen entlang der Strahlachse stark gebündelt werden. So könnten Ströme im Bereich von Kiloampere erzeugt und zugleich die Depolarisation auf ca. 10% begrenzt werden.

Dr. Karen Z. Hatsagortsyan
MPI für Kernphysik
E-Mail: k.hatsagortsyan@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-160

Dr. Matteo Tamburini
MPI für Kernphysik
E-Mail: matteo.tamburini@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-163

Hon.-Prof. Dr. Christoph Keitel
MPI für Kernphysik
E-Mail: keitel@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-150

[1] Ultrarelativistic Electron-Beam Polarization in Single-Shot Interaction with an Ultraintense Laser Pulse
Yan-Fei Li, Rashid Shaisultanov, Karen Z. Hatsagortsyan, Feng Wan, Christoph H. Keitel and Jian-Xing Li
Physical Review Letters 122, 154801 (2019)

[2] Polarized positron beams via intense two-color laser pulses
Yue-Yue Chen, Pei-Lun He, Rashid Shaisultanov, Karen Z. Hatsagortsyan and Christoph H. Keitel
arXiv:1904.04110

[3] Polarized Laser-WakeField-Accelerated Kiloampere Electron Beams
Meng Wen, Matteo Tamburini and Christoph H. Keitel
Physical Review Letters 122, 214801 (2019)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.154801 Physical Review Letters 122, 154801 (2019)

https://arxiv.org/abs/1904.04110 arXiv:1904.04110

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.214801 Physical Review Letters 122, 214801 (2019)

https://www.mpi-hd.mpg.de/keitel/ Division Theoretical Quantum Dynamics and Quantum Electrodynamics (MPIK)