Von Larmor bis Unruh: Strahlungsmessung von stark beschleunigten Elektronen

Die starken Felder von energiereichen Kurzpluslasern (mehr als 10²⁰ W/cm²) helfen, das Verständnis von den Eigenschaften des Quantenvakuums und der Quantentheorie zu verbessern. So bricht beispielsweise das Quantenvakuum jenseits der so genannten "kritischen" Feldstärke von 1,3∙10¹⁸ V/m zusammen und ein virtuelles Teilchen-/Antiteilchenpaar e⁺e^-  wird als reales Paar sichtbar. Bei diesen hohen Feldstärken erfährt ein Elektron eine so starke Beschleunigung, dass der theoretisch vorhergesagte Unruh-Effekt langsam zutage tritt (siehe B.1) und die dabei erzeugten Photonenpaare in Abhängigkeit von der Beschleunigung messbar hohe Energien bekommen.

Mit Hilfe der intensiven Beschleunigung durch Laser hoffen die Physiker, verschiedene Strahlungskomponenten von Elektronen in extremen elektromagnetischen Feldern experimentell untersuchen zu können. Sie gehen davon aus, dass sie zunächst reichlich Larmor-Strahlung nachweisen werden, was der klassischen Strahlung beschleunigter Elektronen entspricht. Diese dominante Komponente wird die seltene Unruh-Strahlung überlagern und besondere Techniken erfordern, beide Komponenten voneinander zu trennen. Die Larmor-Strahlung aus einer linearen Beschleunigung wurde nie vorher experimentell gemessen (im Gegensatz z.B. zur Larmorstrahlung einer Kreisbewegung, die als Synchrotronstrahlung wohlbekannt ist und an großen Beschleunigeranlagen für vielfältige Anwendungen genutzt wird). Deshalb bedeuten diese MAP-Experimente den ersten echten Versuch, die Physik bei extremer Beschleunigung zu studieren. Selbst eine so bekannte Beziehung wie die Lorentzkraft als Ausdruck der Kraft auf eine elektrische Ladung gibt hier bei starken Beschleunigungen seit über 100 Jahren immer noch Rätsel auf: ein beschleunigtes Elektron strahlt Energie ab, dies wird jedoch in der Formel für die Lorentzkraft nicht berücksichtigt, so dass diese Beziehung keine vollständige Beschreibung der Bahn eines stark beschleunigten Elektrons darstellen kann. Viele Theoretiker haben immer wieder durch verschiedenste Modelle versucht, diesen Effekt der "Strahlungsdämpfung" in die klassische Formel einzubauen, allerdings bislang nur mit mässigem Erfolg. Die geplanten Laser-Experimente könnten hier erstmals in einem bislang nicht zugänglichen Bereich höchster Feldstärken einen experimentellen Zugang zum lang gesuchten Problem der Strahlungsdämpfung eröffnen.

Dabei wird eine technologisch innovative Methode der Teilchenbeschleunigung durch Laser eingesetzt: Wenn ein sehr starker Laserstrahl auf eine hauchdünne Kohlenstoff-Folie trifft (nur wenige Atomlagen dick), so treibt er dort die Elektronen aus der Folie heraus und lässt die positiven Rest-Atome (Ionen) zurück. Diese Elektronen werden durch das kurzzeitig entstehende starke elektromagnetische Feld beschleunigt und fliegen als dünne, aber hochverdichtete Elektronenscheibe weiter. Diese Elektronen sind annähernd kohärent und verhalten sich relativistisch. Bei der Wechselwirkung mit einem zweiten gegenläufigen Laserstrahl entsteht möglicherweise eine messbare Larmor- und Unruh-Strahlung, sowie eine von der klassischen Strahlung abweichende Komponente, die Hinweise auf Strahlungsdämpfung geben könnte.