Las nanopartículas aumentan el acelerador láser Wakefield a 10 GeV – Physics World

Un acelerador láser de wakefield altamente estable ha sido creado por Björn Manuel Hegelich en la Universidad de Texas en Austin y un equipo internacional. Su dispositivo utiliza nanopartículas para colocar electrones directamente en su onda de plasma, acelerando los electrones a energías de hasta 10 GeV.

Propuesta por primera vez en 1979, la aceleración de campo láser ofrece una manera de crear aceleradores de partículas compactos que pueden alcanzar energías que normalmente están reservadas a instalaciones de kilómetros de tamaño.

El proceso de aceleración implica disparar un intenso pulso láser a una pequeña celda de gas de baja densidad. La luz ioniza átomos y moléculas del gas para crear un plasma. En las regiones de mayor intensidad del pulso láser, el campo eléctrico separa los electrones ligeros de los iones más pesados. Una vez que ha pasado el pulso, los electrones regresan a los iones, lo que desencadena una onda de plasma que se propaga a través de la célula de forma muy parecida a la estela de un barco.

Enorme gradiente

Esta onda de plasma tiene un campo eléctrico oscilante que se asemeja a las ondas electromagnéticas que impulsan las partículas a través de aceleradores convencionales, pero la longitud de onda del plasma es mucho más corta. El resultado es un gradiente de aceleración que puede ser tres órdenes de magnitud mayor que el de los aceleradores convencionales.

En las últimas décadas, los físicos han logrado varios hitos importantes en el perfeccionamiento del diseño y funcionamiento del acelerador de campo láser. Sin embargo, sigue siendo un desafío importante producir haces de electrones estables. Un problema importante es cómo garantizar que los electrones que se van a acelerar estén en el lugar correcto en el momento adecuado para aprovechar al máximo el campo de estela.

En su estudio, el equipo de Hegelich abordó este desafío con una configuración de acelerador modificada que presenta una placa de metal extraíble en la parte inferior de una celda de gas helio. El proceso de aceleración comienza disparando un pulso de un láser auxiliar a la placa. Esto libera nanopartículas de aluminio, que se mezclan uniformemente con el gas.

Luego, el gas se ioniza con un potente pulso del Láser de Petavatios de Texas, que crea el plasma y también libera electrones de las nanopartículas.

Lugar exacto, momento exacto

"Las nanopartículas liberan electrones en el punto justo y en el momento justo, por lo que todas están allí en la onda", explica Hegelich. "Introducimos muchos más electrones en la onda cuando y donde queremos que estén, en lugar de distribuirse estadísticamente a lo largo de toda la interacción".

Un nuevo acelerador de partículas funciona con rayos láser curvos

Como resultado, el equipo pudo producir haces de electrones mucho más estables y consistentes que los diseños anteriores. Generaron haces con energías de entre 4 y 10 GeV, a partir de un dispositivo de sólo 10 cm de longitud. En comparación, el acelerador lineal del XFEL europeo en Hamburgo acelera electrones a 17 GeV en una distancia de 2.1 km.

Por ahora, los investigadores no tienen una buena comprensión teórica de por qué su sistema funciona tan bien, por lo que planean explorar los mecanismos a nanoescala con más detalle.

El equipo espera que las generaciones futuras de aceleradores láser de wakefield se beneficien de su investigación. El desarrollo de aceleradores prácticos del tamaño de una habitación podría resultar útil en una amplia gama de campos, entre ellos la ciencia de materiales, las imágenes médicas y la terapia contra el cáncer.

La investigación se describe en Materia y radiación en los extremos.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-give-laser-wakefield-accelerator-a-boost-to-10-gev/