Un acelerador compacto alcanza nuevas velocidades con nada más que luz

Una imagen de una simulación en la que un pulso láser (rojo) impulsa una onda de plasma, acelerando los electrones a su paso. - BO MIAO/IREAP

   MADRID, 20 Sep. (EUROPA PRESS) -

   Científicos que aprovechan el control preciso de los láseres ultrarrápidos han acelerado electrones en un tramo de 20 centímetros a velocidades reservadas para grandes aceleradores de partículas.

   Un equipo de la Universidad de Maryland (UMD) encabezado por el profesor de Física e Ingeniería Eléctrica e Informática Howard Milchberg, en colaboración con el equipo de Jorge J. Rocca de la Universidad Estatal de Colorado (CSU), logró esta hito utilizando dos pulsos láser enviados a través de un chorro de hidrógeno gaseoso. El primer pulso desgarró el hidrógeno, abriéndole un agujero y creando un canal de plasma. Ese canal guió un segundo pulso de mayor potencia que extrajo electrones del plasma y los arrastró a su paso, acelerándolos a casi la velocidad de la luz en el proceso.

   Con esta técnica, el equipo aceleró electrones a casi el 40% de la energía alcanzada en instalaciones masivas como la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de un kilómetro de largo, el acelerador del National Accelerator Laboratory SLAC. El artículo fue aceptado en la revista Physical Review X.

   "Este es el primer acelerador de electrones multi-GeV alimentado completamente por láser", dice en un comunicado Milchberg, quien también está afiliado al Instituto de Investigación Electrónica y Física Aplicada de la UMD. "Y con los láseres cada vez más baratos y eficientes, esperamos que nuestra técnica se convierta en el camino a seguir para los investigadores en este campo".

   Lo que motiva el nuevo trabajo son aceleradores como LCLS, una pista de un kilómetro de largo que acelera electrones a 13.600 millones de electronvoltios (GeV), la energía de un electrón que se mueve al 99,99999993% de la velocidad de la luz. El predecesor de LCLS está detrás de tres descubrimientos ganadores del premio Nobel sobre partículas fundamentales.

   Ahora, un tercio del acelerador original se ha convertido al LCLS, utilizando sus electrones súper rápidos para generar los rayos láser de rayos X más potentes del mundo. Los científicos usan estos rayos X para observar el interior de los átomos y las moléculas en acción, creando videos de reacciones químicas. Estos videos son herramientas vitales para el descubrimiento de fármacos, el almacenamiento optimizado de energía, la innovación en electrónica y mucho más.

   Acelerar electrones a energías de decenas de GeV no es tarea fácil. El acelerador lineal de SLAC les da a los electrones el impulso que necesitan usando poderosos campos eléctricos que se propagan en una serie muy larga de tubos de metal segmentados. Si los campos eléctricos fueran más potentes, desencadenarían una tormenta eléctrica dentro de los tubos y los dañarían gravemente. Al no poder empujar los electrones con más fuerza, los investigadores han optado por simplemente empujarlos durante más tiempo, proporcionando más pista para que las partículas se aceleren. De ahí la franja de un kilómetro de largo que atraviesa el norte de California. Para llevar esta tecnología a una escala más manejable, los equipos de la UMD y la CSU trabajaron para impulsar los electrones a casi la velocidad de la luz utilizando, de manera adecuada, la propia luz.

   "El objetivo en última instancia es reducir los aceleradores de electrones de escala GeV a una habitación de tamaño modesto", dice Jaron Shrock, estudiante graduado en física en la UMD y coautor del trabajo. "Estás tomando dispositivos a escala de kilómetros, y tienes otro factor de 1.000 de campo de aceleración más fuerte. Entonces, estás tomando escala de kilómetros a escala de metros, ese es el objetivo de esta tecnología".

   La creación de esos campos de aceleración más fuertes en un laboratorio emplea un proceso llamado aceleración de campo de estela láser, en el que un pulso de luz láser intensa y bien enfocada se envía a través de un plasma, creando una perturbación y arrastrando electrones a su paso.

   La aceleración del campo de estela láser se propuso por primera vez en 1979 y se demostró en 1995. Pero la distancia a la que podía acelerar los electrones permaneció obstinadamente limitada a un par de centímetros. Lo que permitió al equipo de UMD y CSU aprovechar la aceleración de wakefield con más eficacia que nunca fue una técnica en la que el equipo de UMD fue pionero para domar el haz de alta energía y evitar que se dispersara demasiado. Su técnica perfora un agujero a través del plasma, creando una guía de ondas que mantiene enfocada la energía del haz.