Cuando se trata de hacer descubrimientos revolucionarios en física de partículas, los científicos dependen de grandes aceleradores de partículas para llevar a cabo experimentos avanzados. Estas potentes máquinas utilizan largas pistas y imanes para impulsar partículas a altas velocidades.
Sin embargo, dichos aceleradores son masivos y considerablemente caros. Para superar estas limitaciones, los científicos han estado trabajando en la aceleración de plasma con láser, una tecnología emocionante que puede resultar en el desarrollo de aceleradores más pequeños, más baratos y más accesibles.
Un acelerador de láser-plasma tiene solo unos pocos centímetros de tamaño, pero puede acelerar 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 del centro de investigación alemán Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ha logrado un progreso significativo en la realización de la tecnología de aceleración de 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 de láser-plasma.
“Utilizando un sistema de corrección ingenioso, un equipo de investigación logró mejorar significativamente la calidad de los grupos de electrones acelerados por un acelerador de plasma con láser. Esto acerca la tecnología un paso más cerca de aplicaciones concretas, como un inyector basado en plasma para un anillo de almacenamiento de sincrotrón”, señalan los autores del estudio.
Un enfoque de corrección en dos etapas
Actualmente, hay dos desafíos principales con la tecnología de aceleración de plasma con láser: la uniformidad del haz y la distribución de energía.
Estos problemas surgen porque no todos los 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 haces desiguales y menos predecibles.
Los autores del estudio han encontrado una manera de solucionar estos problemas utilizando un método de corrección en dos etapas. Primero, envían los grupos de electrones desiguales desde el acelerador LUX (Láser y acelerador de electrones de rayos X libres) a través de una disposición especial de cuatro imanes llamada chicana.
Esta chicana obliga a los electrones a tomar un desvío, lo que alarga el haz en el tiempo y también los separa según sus energías. Como resultado, los electrones más rápidos y de alta energía terminan al frente del haz alargado, y los más lentos y de menor energía terminan en la parte de atrás.
A continuación, este haz estirado y ordenado de electrones pasa por un dispositivo (un resonador) similar a los utilizados en aceleradores de partículas regulares. Este dispositivo utiliza ondas de radio para ralentizar o acelerar los electrones.
“Si se sincroniza cuidadosamente la llegada del haz con la frecuencia de radio, los electrones de baja energía en la parte trasera del haz pueden ser acelerados, y los electrones de alta energía en la parte delantera pueden ser frenados. Esto comprime la distribución de energía”, dijo Paul Winkler, autor principal del estudio.
El proceso garantiza que la energía de todos los electrones en el haz sea más o menos igual. Utilizando este enfoque, el equipo de DESY logró que las diferencias de energía dentro de un haz fueran 18 veces más pequeñas y la energía general de los haces 72 veces más consistente. Estos resultados hicieron que los haces de electrones acelerados por láser-plasma fueran casi tan buenos como los producidos por aceleradores tradicionales gigantes.
De la teoría a la realidad
Los investigadores de DESY están entusiasmados después de su exitoso experimento que convirtió una idea teórica en realidad por primera vez. El método de corrección en dos etapas nunca había sido demostrado experimentalmente hasta ahora.
“Lo que hemos logrado es un gran avance para los aceleradores de plasma. Todavía tenemos mucho trabajo de desarrollo por hacer, como mejorar los láseres y lograr una 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 comprenden cómo se podría utilizar esta técnica. Creen que podría ayudar a crear y acelerar haces de electrones que pueden alimentarse en potentes máquinas de rayos X como PETRA III.
PETRA es una gran instalación científica en DESY que utiliza electrones de movimiento rápido para producir rayos X extremadamente brillantes. Estos rayos X ayudan a los científicos a examinar diversos materiales, moléculas y muestras biológicas en gran detalle.
El estudio ha sido publicado en la revista Nature.