Nuevo acelerador de partículas es impulsado por rayos láser curvos – Physics World

Un acelerador de campo de estela láser (LWFA) que guía sus rayos láser a lo largo de canales curvos mientras acelera los electrones ha sido creado por jie zhang y colegas de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China. La nueva técnica podría ser un paso clave hacia el desarrollo de alternativas compactas y económicas a los aceleradores de partículas convencionales.

En un LWFA, se crea un plasma denso al enfocar un pulso láser intenso en un gas. A medida que se mueve a través del gas, el pulso crea una región de campos eléctricos alternos, un "campo de estela", que se asemeja a una ola de agua que se forma en la estela de un barco en movimiento.

Al montar estas ondas, los electrones dentro del plasma pueden acelerarse a energías muy altas en distancias muy cortas. Como resultado, esta técnica muestra una gran promesa para el desarrollo de aceleradores que son mucho más pequeños que los sistemas convencionales. Tales dispositivos compactos serían muy útiles para aplicaciones médicas y de investigación.

problemas de reinyección

Para que los electrones alcancen velocidades relativistas, la aceleración debe ocurrir varias veces, con electrones de una etapa LWFA inyectados en la siguiente. Esto no es fácil, como miembro del equipo min Chen explica, “dado que la estela tiene un tamaño de decenas de micrómetros y su velocidad es muy cercana a la velocidad de la luz, la reinyección de electrones es extremadamente difícil”. Si bien algunos estudios recientes lograron la reinyección utilizando técnicas como lentes de plasma, los investigadores solo lograron inyectar una pequeña fracción de electrones en una segunda etapa.

En 2018, el equipo de Zhang y Chen introdujo un nuevo enfoque como lo describe Chen: “En nuestro esquema, los electrones siempre viajan dentro de un canal de plasma recto, donde pueden ser enfocados por el campo de estela láser. Luego, el segundo láser fresco es guiado por un canal de plasma curvo y se fusiona con el canal recto, como una rampa de autopista”.

Al permitir que los electrones viajen a lo largo de una etapa ininterrumpida, en lugar de inyectarlos al comienzo de cada nueva etapa, este enfoque permitiría a los investigadores retener muchas más partículas durante la aceleración.

Plasma tambaleante

Al principio, el objetivo del equipo podría haber parecido demasiado ambicioso. Si un haz estaba ligeramente descentrado al fusionarse con el canal recto, podría hacer que el campo de estela de plasma se tambaleara, sacando los electrones de sus caminos rectos y disminuyendo su aceleración.

El equipo de Zhang abordó este desafío variando la curvatura del canal, lo que creó variaciones en la densidad del plasma en el interior. Con la curvatura justa, descubrieron que podían detener la oscilación del posicionamiento del rayo láser, de modo que cuando se inyectaban electrones en la parte recta del canal, el campo de estela resultante era lo suficientemente estable como para acelerar las partículas a velocidades más altas.

Nuevo acelerador de electrones combina técnicas de wakefield láser y plasma

A través de sus últimos experimentos, los investigadores descubrieron una ventaja adicional de su enfoque. "Descubrimos que, en algunos casos, no solo se puede guiar el láser, sino que también puede generar un campo de estela dentro del canal curvo y acelerar los electrones", explica Chen. “Por lo general, estos solo se encontraron en un canal de plasma recto. Significa que tanto el láser como los electrones de alta energía pueden guiarse en dicho canal de plasma curvo”.

El equipo cree que sus primeros resultados son un hito importante. "Nuestro experimento muestra cómo los electrones relativistas pueden ser guiados de manera estable por un canal de plasma curvo, que es el paso crítico de nuestro esquema de aceleración del campo de estela por etapas", dice Chen. "En el futuro, dichos canales podrían usarse para la aceleración del campo de estela y el guiado de electrones".

Si pueden demostrar un mayor número de etapas de aceleración utilizando múltiples canales curvos, el equipo de Zhang espera que las energías de teraelectronvoltios algún día estén al alcance de los LWFA a solo una fracción del tamaño y el costo de los aceleradores de partículas modernos. "Por el momento, podemos decir que nuestro estudio resuelve un paso crítico para la aceleración del campo de estela láser por etapas y muestra el potencial de una fuente de radiación de sincrotrón compacta", dice Chen.

La investigación se describe en Physical Review Letters.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/