Die neuartige Methode zur Erzeugung von Muonen durch ultrakurze Hochintensitätslaser stellt einen großen Fortschritt in der experimentellen Physik dar. Muonen, elementare Teilchen, die den Elektronen ähneln, jedoch schwerer sind und eine sehr kurze Lebensdauer besitzen, sind wesentliche Werkzeuge zur Untersuchung fundamentaler Prozesse in der Teilchenphysik. Bis vor Kurzem wurden Muonen hauptsächlich mit großen, teuren Protonenbeschleunigern generiert, was die Forschung auf wenige spezialisierte Einrichtungen beschränkte. Die neue Lasertechnologie verspricht somit eine drastische Veränderung, indem sie Muonquellen für kleinere Labore zugänglicher und wirtschaftlicher macht. Muonen spielen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung und angewandten Physik eine zentrale Rolle.
Ihre schnelle Zerfallszeit von etwa 2,2 Mikrosekunden erlaubt es, detaillierte Studien zur Struktur der Materie, zur Quantenmechanik und zur Erforschung neuer physikalischer Effekte durchzuführen. Darüber hinaus nutzen Anwendungen wie die hochauflösende Muonenradiographie oder Muon-spin-Rotationsmessungen (μSR) diese Teilchen, um verborgene Eigenschaften von Materialien aufzudecken. Bisher waren jedoch die begrenzte Verfügbarkeit und die hohen Kosten der erforderlichen Beschleuniger technische und finanzielle Hürden. Der Durchbruch basiert auf der Nutzung der Laser Wakefield Acceleration (LWFA) Technologie, die in den letzten Jahren dank Fortschritten in der Chirped Pulse Amplification (CPA) enorm an Leistungsfähigkeit gewann. LWFA ermöglicht es, Elektronen auf Energien im Gigaelektronenvolt-Bereich (GeV) innerhalb von nur wenigen Zentimetern zu beschleunigen.
Werden diese hochenergetischen Elektronen auf ein spezielles Material, den sogenannten Umwandlungspunkt, gelenkt, entstehen komplexe Wechselwirkungen, die letztlich zur Muon-Produktion führen können. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, die hauptsächlich Protonenstrahlen nutzten, setzt die neue Methode diese energiereichen Elektronen ein, um über zwei Hauptprozesse Muonen zu erzeugen. Einer davon ist der Bethe-Heitler-Prozess, bei dem durch Gammastrahlung, die von den Elektronen erzeugt wird, Paare von Myonen und Antimuonen entstehen. Ein weiterer Weg ist der Zerfall von Pionen, die durch photo- oder elektroproduktion im Umwandlungspunkt generiert werden. Muonen, die über den Bethe-Heitler-Prozess entstehen, besitzen in der Regel höhere Energien und bewegen sich in Richtung des ursprünglich einfallenden Elektronenstrahls.
Die durch Pionzerfall erzeugten Muonen weisen niedrigere Energie auf und verteilen sich gleichmäßiger im Raum. Eines der größten technischen Hindernisse bei der Erzeugung von Muonen mittels Laser-Laboren war bisher die Bestätigung ihrer Existenz und die genaue Messung. Die Vielschichtigkeit des Umwandlungsprozesses produziert eine Vielzahl sekundärer Strahlungen wie Gammastrahlen, Neutronen und Elektronen, welche herkömmliche Detektoren oft überlasten. Ein innovativer Ansatz bestand darin, die charakteristische Lebensdauer der Muonen im ruhenden Zustand zu nutzen. Da Muonen für etwa 2,2 Mikrosekunden existieren, bevor sie zerfallen, kann die Messung ihres Zerfalls direkt als Nachweis dienen.
Dieser eindeutige Zeitmaßstab ermöglicht es, Muonen von anderen Teilchen und Störsignalen zu unterscheiden. Die bahnbrechenden Experimentergebnisse, veröffentlicht im renommierten Fachjournal Nature Physics im Jahr 2025, zeigen deutlich die erfolgreiche Erzeugung von Muonen mit einer Ausbeute von bis zu 0,01 Muonen pro eingehendem Elektron. Übersetzt bedeutet dies, dass bei jedem Laserimpuls Millionen von Muonen entstehen können, was für die Forschung eine ausgesprochen hohe Produktivität darstellt. Mit diesen Zahlen wird die Möglichkeit greifbar, kompakte, hochintensive Muonquellen für eine breite Anwendungspalette zu entwickeln. Diese innovative Technik bietet eine Reihe bedeutender Vorteile.
Labore, die bislang aufgrund der Kosten und Infrastruktur nicht auf Muonenforschung zugreifen konnten, erhalten nun die Möglichkeit, eigene Messungen und Experimente durchzuführen. Zudem eröffnet die Laser-basierte Erzeugung von Muonen neue Forschungsfelder – darunter hochauflösende Muon-Radiographie, die Einblicke in Materialstrukturen selbst bei komplexen oder dichten Proben ermöglicht. Des Weiteren könnten all-optische Beschleunigungen von Muonen in Zukunft realisiert werden, wodurch noch höhere Energien und verbesserte Präzision erreichbar sind. Das Potenzial für den Einsatz in der angewandten Wissenschaft, medizinischen Diagnostik und sogar kultureller Erfassung ist immens. Muonenradiographie kann beispielsweise zur Inspektion von Bauwerken, technischen Anlagen oder archäologischen Funden genutzt werden, ohne diese zu beschädigen.
Die kompakte und relativ kostengünstige Bereitstellung solcher Quellen macht diese Methoden breit verfügbar und könnte klassische bildgebende Verfahren ergänzen oder in manchen Fällen sogar ersetzen. Die Forscher planen, ihre Untersuchungen zur Muonenergiespektrums- und Winkelverteilung weiter zu vertiefen. Dadurch soll die Effizienz der Energieausbeute optimiert und die Steuerbarkeit der entstehenden Muonen verbessert werden. Langfristig wird eine Integration dieser Lasertechnologie mit anderen physikalischen Experimenten angestrebt, um neue Erkenntnisse zur Struktur von Materie, Kernreaktionen und fundamentalen Kräften zu gewinnen. Die Entwicklung stellt einen bedeutenden Schritt hin zu einer neuen Generation von Teilchenquellen dar.
