Mini aceleradores de partículas ¿es realmente posible?

La tecnología de aceleradores de radiofrecuencia ha impulsado la investigación en ciencia de materiales y física de partículas durante el último siglo.

La tecnología de aceleradores de radiofrecuencia ha impulsado la investigación en ciencia de materiales y física de partículas durante el último siglo.

Actualmente, los mini aceleradores de partículas están más cerca de hacerse realidad. Un nuevo estudio codirigido por investigadores de la UCL podrá mostrar la posibilidad de acelerar millones de racimos de electrones por segundo utilizando ondas de plasma. Los científicos han desarrollado una técnica que 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. Este sería el paso inicial. Seguidamente serán disparados grupos de electrones al plasma 'montando' las ondas de plasma recién creadas y acelerando rápidamente a energías muy altas.

Los colisionadores se caracterizan por acelerar haces de partículas hasta energías muy próximas a la velocidad de la luz para después hacerlas colisionar entre sí o sobre otro tipo de blancos de pocos centímetros de largo. Enterrado bajo tierra, el Gran Colisionador de Hadrones es un ambicioso proyecto de ingeniería. Se trata del mayor acelerador de partículas jamás construido: su circunferencia se extiende a lo largo de 26.659 metros y contiene 9.300 imanes en su interior.

Con esta innovadora técnica se puede reducir el tamaño de los colisionadores de partículas y los láseres de electrones libres, utilizados para probar las estructuras de materiales y procesos.

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 Electrón 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.

“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”. así lo expresó el profesor Matthew Wing coautor del estudio.

El Dr. James Chappell, 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. “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” expresó Wing.

“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”. Concluye Wing.

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.

El equipo de investigación disparó racimos de electrones en el plasma a diferentes intervalos de tiempo, desde menos de un nanosegundo hasta cientos de nanosegundos. Luego midieron 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 Dr. Richard D'Arcy, primer autor del estudio 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”, así lo expresó D´Arcy.

Referencia:

D’Arcy, R et al. Recovery time of a plasma-wakefield accelerator. Nature 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04348-8

 

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