Einzelnes Elektron im Speicherring DELTA

Am 17.02.2023 wurde DELTA erstmals mit einem einzigen Elektron der Energie 1,5 GeV betrieben. Der „Strahl“strom beträgt in diesem Fall 0,42 Pikoampere. Zum Vergleich: Bei einem typischen Strom von 100 Milliampere sind 240 Milliarden Elektronen im Speicherring unterwegs. Die mittlere Verweildauer eines einzigen Elektrons im Ring ist praktisch nicht messbar, aber sie ist aufgrund der Abwesenheit kollektiver Effekte höher als die typische Strahllebensdauer von derzeit 25 Stunden.

Einzelne Elektronen können über die Zählung von Photonen der Synchrotronstrahlung nachgewiesen werden. Im Bild unten wurde zunächst ein Strahl mit geringem Strom erzeugt. Bei normaler Strahllebensdauer müsste man mehrere Wochen warten, bis nur noch ein Elektron übrig ist. Daher wurde ein Hindernis (sog. scraper) nahe an den Strahl gebracht, um die Verlustrate zu erhöhen. Der Verlust eines Elektrons zeigt sich als Sprung in der Photonenzählrate. Beim letzten Elektron wird das Hindernis entfernt.

Einzelelektronen in den Speicherringen BESSY und MLS in Berlin werden von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt für metrologische Zwecke genutzt [1]. Auch am experimentellen Speicherring IOTA bei Fermilab/USA finden Messungen mit einzelnen Elektronen statt [2]. Gegenüber der traditionellen Beschleunigerphysik eröffnen sich neue Möglichkeiten:

• Aussagen über Strahleigenschaften wie z.B. Strahlgröße oder Energieverteilung beruhen auf Annahmen über die Bewegung einzelner Teilchen in den elektromagnetischen Feldern eines Speicherrings. Diese Annahmen können mit Einzelelektronen überprüft und ggf. modifiziert werden.
• Die Eigenschaften der Synchrotronstrahlung als elektromagnetische Welle werden im Rahmen der Elektrodynamik gut beschrieben. Die Emission von Photonen durch ein einzelnes Elektron dagegen zeigt die Quantennatur der Strahlung. Die Photonenstatistik enthält zusätzliche Information, die für die Strahldiagnose genutzt werden kann.

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