Cuando se trata de hacer descubrimientos innovadores en física de partículas, los científicos confían en aceleradores de partículas grandes para realizar experimentos avanzados. Estas potentes máquinas usan pistas e imanes largas para empujar partículas a altas velocidades.
Sin embargo, tales aceleradores son masivos y considerablemente caros. Para superar estas limitaciones, los científicos han estado trabajando en aceleración de plasma láserUna tecnología emocionante que puede resultar en el desarrollo de aceleradores más pequeños, más baratos y más accesibles.
Un acelerador láser-plasma tiene solo unos pocos centímetros de tamaño, pero puede acelerar las partículas a velocidades y energías muy altas necesarias para experimentos científicos. En teoría, utiliza pulsos láser intensos y ondas de plasma en lugar de imanes convencionales.
Ahora, un equipo de investigadores de la instalación de investigación alemana Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ha progresado significativamente en la realización de la tecnología de aceleración láser-plasma. En su último estudio, los científicos proponen un nuevo método para mejorar la calidad de los haces de electrones producidos por los aceleradores láser-plasma.
«Utilizando un sistema de corrección inteligente, un equipo de investigación pudo mejorar significativamente la calidad de los racimos de electrones acelerados por un acelerador de plasma láser. Esto acerca a la tecnología un paso más cerca de aplicaciones concretas, como un inyector basado en plasma para un anillo de almacenamiento de sincrotrones», el estudio autores autores nota.
Un enfoque de corrección de dos etapas
Actualmente, hay dos desafíos principales con la tecnología de aceleración de plasma láser: uniformidad del haz y distribución de energía.
Estos problemas surgen porque no todos los racimos de electrones (grupos de electrones) acelerados por la onda de plasma se comportan de la misma manera. Algunos ganan más energía que otros, lo que lleva a vigas desiguales y menos predecibles.
Los autores del estudio han encontrado una manera de solucionar estos problemas utilizando un método de corrección de dos etapas. Primero, envían los racimos de electrones desiguales desde el acelerador Lux (láser y láser de electrones sin rayos X) a través de una disposición especial de cuatro imanes llamado chicane.
Esta chicana obliga a los electrones a tomar un desvío, que se extiende en el grupo en el tiempo y también los separa en función de sus energías. Como resultado, los electrones más rápidos y de alta energía terminan en la parte delantera del grupo estirado, y los más lentos y de menor energía terminan en la parte posterior.
A continuación, este grupo de electrones estirado y ordenado entra en un dispositivo (un resonador) similar a los utilizados en Aceleradores de partículas regulares. Este dispositivo utiliza ondas de radio para reducir la velocidad o acelerar los electrones.
«Si cronometra la llegada del haz cuidadosamente a la radiofrecuencia, los electrones de baja energía en la parte posterior del grupo se pueden acelerar, y los electrones de alta energía en el frente se pueden desacelerar. Esto comprime la distribución de energía», dijo Paul Winkler, autor principal del estudio.
El proceso asegura que la energía de todos los electrones en el grupo sea más o menos igual. Utilizando este enfoque, el equipo Desy pudo hacer las diferencias de energía dentro de un grupo 18 veces más pequeña y la energía general de los racimos 72 veces más consistentes. Estos resultados hicieron que los racimos de electrones acelerados con láser casi tan buenos como los producidos por los aceleradores gigantes tradicionales.
De la teoría a la realidad
Los investigadores de Desy son optimistas después de su exitoso experimento que convirtió una idea teórica en realidad por primera vez. El método de corrección de dos etapas nunca se ha demostrado experimentalmente hasta ahora.
«Lo que hemos logrado es un gran paso adelante para los aceleradores de plasma. Todavía tenemos mucho trabajo de desarrollo por hacer, como mejorar los láseres y lograr la operación continua, pero en principio, hemos demostrado que un acelerador de plasma es adecuado para este tipo de aplicación», señaló Wim Leemans, uno de los autores del estudio.
Los científicos entienden cómo se podría utilizar esta técnica. Creen que podría ayudar a crear y acelerar los racimos de electrones que se pueden alimentar potente rayos X Máquinas como Petra III.
Petra es una gran instalación científica en Desy que utiliza electrones de movimiento rápido para producir radiografías extremadamente brillantes. Estas radiografías ayudan a los científicos a examinar varios materiales, moléculas y muestras biológicas con gran detalle.
El estudiar ha sido publicado en la revista Naturaleza.
