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Ciencia & Tec

Más cerca de los mini aceleradores de partículas


La técnica consiste en disparar un láser de alta energía o un haz de partículas en un cilindro de plasma, una sopa de átomos ionizados, creando ondas como las que produce una lancha rápida en el agua.

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Los mini aceleradores de partículas están un paso más cerca de la realidad tras probarse que sería posible acelerar millones de haces de electrones por segundo utilizando ondas de plasma.

La técnica consiste en disparar un láser de alta energía o un haz de partículas en un cilindro de plasma, una sopa de átomos ionizados, creando ondas como las que produce una lancha rápida en el agua. Montones de electrones se disparan al plasma inmediatamente después, «montando» las ondas de plasma recién creadas y acelerando rápidamente a energías muy altas, explica en un comunicado la UCL (University College London) que participa en este proyecto.

La técnica tiene el potencial de reducir drásticamente el tamaño de los colisionadores de partículas (por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones, que acelera los protones, tiene 27 km de largo) y los láseres de electrones libres, utilizados para probar las estructuras de materiales y procesos, como el cilindro en el que los electrones que se aceleran suelen tener unos pocos centímetros de largo.

Para la mayoría de las aplicaciones de la tecnología, es necesario acelerar miles o millones de grupos de electrones por segundo, pero, dado que el plasma debe asentarse para acercarse a su estado original cada vez que se dispara un nuevo grupo, no estaba claro si esto alta tasa de repetición era posible.

En el nuevo estudio, publicado en Nature, el equipo de investigadores aceleró electrones en la instalación FLASHForward del German Electron Synchrotron (DESY) en Hamburgo para investigar la rapidez con la que el plasma volvió a un estado estable y descubrió que lo hizo en 63 nanosegundos.

El coautor, el profesor de física y astronomía de la UCL Matthew Wing, dijo: «Este resultado es una noticia positiva: sugiere que los aceleradores de plasma podrían usarse para acelerar hasta 15 millones de grupos de electrones por segundo. Esto coincide con la tasa de repetición de los aceleradores convencionales».

El coautor, el doctor James Chappell, de la Universidad de Oxford, analizó los datos como parte de su tesis doctoral, que ganó el premio de tesis Culham 2022 a la mejor tesis en física del plasma del Instituto de Física. Él dijo: «Las instalaciones de prueba actuales para la aceleración de plasma generalmente funcionan a tasas de repetición mucho más lentas, acelerando hasta 10 grupos de electrones por segundo. El potencial de una tasa de repetición mucho más alta es importante para convertir esto en una tecnología útil.

«Una posibilidad es que los aceleradores de ondas de plasma puedan usarse en experimentos de física de partículas de próxima generación, para colisionar electrones y positrones a alta velocidad para descubrir nueva física. Otra es que podría usarse para láseres de electrones libres: aquí es donde los electrones de alta energía irradian fotones y estos fotones se usan para probar la estructura de todo tipo de materiales y procesos. Para ambas aplicaciones, todavía hay desafíos de ingeniería que superar, por ejemplo, cómo evitamos que el plasma se caliente».

Los investigadores también notaron que los aceleradores de plasma podrían usarse como «etapas de refuerzo» en instalaciones existentes, como el láser europeo de electrones libres de rayos X (XFEL) en DESY en Hamburgo para aumentar las energías de los trenes de partículas en distancias cortas.

Para investigar el tiempo de recuperación del plasma, el equipo de investigación disparó haces de electrones en el plasma a diferentes intervalos de tiempo, desde menos de un nanosegundo hasta cientos de nanosegundos, y midió la energía de los electrones después de haber interactuado con el plasma. Descubrieron que después de 63 nanosegundos, la energía era equivalente a los electrones disparados al plasma en un estado no perturbado.

El doctor Richard D’Arcy, primer autor del estudio de DESY y ex alumno de UCL, explicó: «A diferencia de los aceleradores convencionales, donde las ondas electromagnéticas de larga duración almacenadas en una cavidad resonante pueden acelerar varios grupos de partículas en rápida sucesión, los campos electromagnéticos generados en el plasma se desintegra muy rápidamente después de cada proceso de aceleración.

«Para comenzar un nuevo proceso de aceleración similar, los electrones e iones del plasma deben haberse ‘recuperado’ a aproximadamente su estado inicial, de modo que la aceleración del siguiente par de grupos de partículas no se modifique por la del anterior».

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