Fakultätsbericht 2016-2017 der Physikalisch-Astronomischen Fakultät

72 — Forschung Lehrstuhl für Laserteilchenbeschleunigung Prof. Dr. Matt Zepf Forschungsschwerpunkte  Schwerpunkt 1: Laser-Teilchenbeschleunigung Entwicklung und Anwendung von neuartigen, lasergetriebenen Beschleunigern.  Schwerpunkt 2: Intensive Attosekunden-Pulse Relativistisch oszillierende Plasmaspiegel konvertieren intensives optisches Laserlicht in Attosekun- den Lichtblitze zur Erforschung der Natur auf den kürzesten Zeitskalen.  Schwerpunkt 3: Nichtlineare Quantenelektronendynamik Erforschung des Quantenvakuums und der Dynamik geladener Elementarteilchen in extremen Laser- feldern.  Schwerpunkt 4: Entwicklung Ultraintensiver Laserquellen Mit einer Spitzenleistung von bis zu einem Petawatt (10 15 W) gehören unsere Hochleistungslaser zu den leistungsstärksten Lasern überhaupt. Ihre fortwährende Entwicklung für Experimente bildet die Grundlage für Experimente von mehreren Arbeitsgruppen. Intensive Laser erzeugen extreme Feldstärken in ionisierten Gasen (Plasmen) und beschleunigen somit geladene Elementarteilchen auf extrem kur- zen Strecken auf hohe Energien. Diese neue Gene- ration von Teilchenbeschleunigern ermöglicht es z.B. Elektronen auf Wegstrecken von Zentimetern (anstatt der üblichen Kilometer!) auf Energien >1 GeV zu bringen. Diese Teilchenstrahlen zeichnen sich zudem durch hohe Strahlqualität und besonders kurze Pul- se aus – die insbesondere für Protonen und schwe- rere Kerne einzigartig sind. Solch kompakte Beschleuniger ermöglichen es neuartige Röntgen- und Gammastrahlungsquel- len mit extrem kurzen Pulsen zu erzeugen. Protonenpulse mit wenigen Picosekunden Dauer erlauben zum ersten Mal direkte Einblicke in die Wechselwirkung von Ionen mit Materie auf der natürlichen Zeitskala dieser Prozesse. Das tiefere Verständnis von solchen Prozessen ist nicht zuletzt auch für die Krebstherapie von Bedeutung, wo Io- nenstrahlen in vielen Fällen zu den schonendsten Behandlungsmodalitäten zählen. Dromey, B.; Coughlan, M.; Senje, L.; et al. (2016) Picosecond metrology of laser-driven proton bursts, NATURE COMMUNICATIONS DOI: 10.1038/ ncomms10642 Forschungsprojekt 1 : Laser-Teilchenbeschleunigung – Entwicklung und Anwendung Abb. 1: Bestrahlung von Quarzglas mit einem kurzen Protonenpuls. Die experimentellen Daten (a) zeigen dass die Transparenz des Glases in wenigen Picose- kunden abnimmt und sich wieder erholt. (b) numeri- sche Simulation der Dynamik. [ Dromey 2016, Nature Comms] Die Erforschung der Natur unter extremen Bedingungen ist seit jeher ein Treiber der wissenschaftlichen Entwicklung. Ob extreme Temperaturen, Drücke oder Felder, oft haben solche Bedingungen zur Entwicklung bestehender Theorien beigetragen und zur Entdeckung neuer Phänomene geführt. Der gemeinsame Nenner unserer Forschung sind die extremen Lichtintensitäten, die durch Ultrakurzpulslaser möglich werden. Sie erlauben die Entwicklung von Röntgenblitzen zur Erforschung der schnellsten physikalischen Phänomene, neuartige Teilchenbeschleuniger mit weitreichenden Anwendungen sowie die Erforschung von fundamenta- len Prozessen in der Quantenelektrodynamik. Sarri, G.; Corvan, D. J.; Schumaker, W.; et al. (2014) Ultrahigh Brilliance Multi-MeV gamma-Ray Beams from Nonlinear Relativistic Thomson Scattering, PHYSICAL REVIEW LETTERS DOI: 10.1103/ PhysRevLett.113.224801 By: Qiao, B.; Zepf, M.; Borghesi, M.; et al. Stable GeV Ion-Beam Accel- eration from Thin Foils by Circularly Polarized Laser Pulses, PHYSI- CAL REVIEW LETTERS DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.145002 An die Grenzen des Machbaren