Das PAX/APEX-Experiment: Ein Laborexperiment zu Elektron-Positron-Plasmen
Ein Plasma aus Elektronen und Positronen stellt einen exotischen Materiezustand dar. In einem ausreichend guten Vakuum könnte ein solches Plasma für Minuten oder sogar Stunden existieren, bevor es sich durch Annihilation auflöst. Das PAX/APEX-Experiment hat zum Ziel, erstmalig in einem Labor ein solches Plasma einzuschließen.
Elektron-Positron Plasmen sind von großem Interesse sowohl zur Untersuchung fundamentaler Fragen der Plasmaphysik als auch für die Astrophysik. In der Plasmaphysik werden durch die Symmetrie der Massen von positiven und negativen Ladungsträgern grundsätzlich neue Ergebnisse zu Wellen und Turbulenzen des Plasmas erwartet. In der Astrophysik hält man die Existenz von Elektron-Positron-Plasmen nahe von Quasaren, und in den Akkretionsscheiben junger Galaxien für möglich.
Die Apparaturen zum Einschluss eines Elektron-Positron-Plasmas werden aktuell in Greifswald und Garching aufgebaut. Erste Experimente zur Positronen-Speicherung wurden an einer der intensivsten Quellen für kalte Positronen weltweit, der NEPOMUC-beamline am Forschungsreaktor FRM II in Garching, durchgeführt.
APEX
Einschuss von Elektronen in das Magnetfeld eines magnetischen Dipols (numerische Simulation). Ein gerichteter Elektronenstrahl fliegt zunächst durch ein Paar von Potentialplatten. Zwischen diesen ist dem Magnetfeld zusätzlich ein elektrisches Feld überlagert. Dadurch entsteht eine ExB Drift, die die Elektronenbahnen in den Bereich geschlossener magnetischer Feldlinien führt. Die Methode funktioniert genauso für Positronen.
Das Elektron-Positron-Plasma wird durch magnetischen Einschluss in der APEX-Apparatur (A Positron-Electron EXperiment) gespeichert. Sie besteht aus einer supraleitenden Stromspule, die im Betrieb durch magnetische Kräfte schweben wird. Ihr Feld ist das eines magnetischen Dipols. Ein solches Feld ist ein geeigneter Speicher für geladene Teilchen in einem torusförmigen Volumen entlang der Spule.
Ein wichtiger Punkt ist die effiziente Injektion geladener Teilchen in dieses Feld; insbesondere gilt dies für Positronen, da hier die möglichen Ströme sehr viel kleiner als für Elektronen sind. Bild 1 zeigt eine numerische Berechnung von Teilchenbahnen, wenn dem Magnetfeld ein elektrisches Feld überlagert wird. Mehr als 80 Prozent aller Bahnen können tatsächlich im Magnetfeld eingefangen werden.
Im Jahr 2015 wurden zwei Messzeiten zur Ablenkung des NEPOMUC-Positronen-Strahls in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern ('ExB drift') durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass Positronen tatsächlich in das Dipolfeld injiziert werden und sich im Feld zur gegenüberliegenden Seite weiter bewegen.
PAX
Im Positronen-Akkumulation-EXperiment (PAX) sollen Positronen abgebremst und gespeichert werden, um die für das APEX-Experiment verfügbare Positronendichte zu erhöhen. Diese Techniken werden in Greifswald entwickelt, in einer Zusammenarbeit mit der EMAU Greifswald (L. Schweikhard, G. Marx) und der UC San Diego (C. Surko, J. Danielson). Im Jahr 2015 wurde ein Prototyp für eine Positronenfalle in einem starken Magnetfeld aufgebaut und mit Elektronen getestet. Es konnten 3 x 108 Elektronen für eine Stunde gespeichert werden.
