Los aceleradores de partículas de vanguardia del mundo están empujando los extremos en haces de alto brillo y pulsos ultracortos para explorar la materia de nuevas formas.

Para optimizar su rendimiento y prepararse para las instalaciones de próxima generación que impulsarán estos extremos aún más, los científicos han ideado una nueva herramienta que puede medir qué tan brillantes son estos haces, incluso para pulsos que duran sólo femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo) o attosegundos (quintillonésimas de segundo). Comparar 1 attosegundo con 1 segundo es como comparar 1 segundo con 31,7 mil millones de años.

Esta herramienta también puede medir tamaños de haz hasta unas pocas decenas de nanómetros (mil millonésimas de metro), sin interrumpir los experimentos que se basan en estos haces.

La nueva herramienta denominado "monitor de densidad de carga, "también podría proporcionar medidas más precisas de la física fundamental en experimentos de haz de alta energía y alto campo, y ayudar a guiar los esfuerzos de I + D que buscan reducir el tamaño y el costo de las instalaciones de aceleradores y colisionadores de partículas mientras aumentan sus capacidades.

La investigación que utiliza este diagnóstico propuesto también podría afectar a disciplinas que van desde la ciencia del plasma hasta la física atómica, y podría dar lugar a nuevas aplicaciones y revelar nueva física.

En el Centro Acelerador Láser Berkeley Lab (BELLA) del Departamento de Energía de EE. UU., Los investigadores esperan probar esta herramienta midiendo las propiedades de las partículas después de un intenso rayo láser que perfora un chorro de gas. Al hacerlo, esperan aprender sobre el pulso del haz de electrones que surge de esta interacción.

"BELLA proporciona un banco de pruebas ideal para evaluar el potencial del método de medición de haz en un acelerador avanzado de última generación, Dado que nuestro objetivo es producir las ráfagas ultracortas de electrones más brillantes posibles con nuestra tecnología de acelerador compacto, "dijo Wim Leemans, director del Centro BELLA y de la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).

"Proporcionaría una herramienta poderosa para medir y mejorar los haces de BELLA".

Leemans dirigió el equipo de colaboradores de Berkeley Lab como parte de un equipo internacional en un estudio técnico que detalla el nuevo método. publicado en el número del 10 de mayo de la revista Revisión física X .

Roxana Tarkeshian, investigador de la Universidad de Berna y anteriormente en el Instituto Paul Scherrer, se desempeñó como autor principal del estudio y ha seguido el nuevo método de diagnóstico desde 2015, con el apoyo de Thomas Feurer, profesor de la Universidad de Berna y experto en tecnología láser y física espacial.

"Sus mediciones ultrasensibles a alta resolución, y su bajo costo y compacidad se encuentran entre sus activos, "Dijo Tarkeshian.

El estudio detalla cómo los intensos haces de partículas pueden atravesar un gas neutro de baja densidad, eliminando los electrones de los átomos de gas a través de los fuertes campos eléctricos asociados con los intensos haces de partículas. En el proceso se forma una nube ionizada (cargada) de materia conocida como plasma, que contiene iones y electrones.

La resolución "sin precedentes" de la técnica para la duración y el tamaño de pulsos individuales tanto para haces de electrones como de positrones se relaciona con un efecto en el que pequeños cambios en el brillo del haz de solo un pequeño porcentaje a decenas de por ciento pueden resultar en decenas a cientos de veces más. iones generados en presencia de un campo eléctrico, Tarkeshian señaló.

El proceso es similar a lo que ocurre cuando se produce una rayo láser enfocado o pulso de rayos X interactúa con un gas e ioniza los átomos. Pero existen diferencias importantes en la física de este proceso de ionización para haces de luz (fotones) frente a otros tipos de haces de partículas.

Con rayos de luz, se producen electrones e iones (partículas cargadas) a lo largo de la huella del haz, y los electrones asociados al plasma tienen una velocidad relativamente baja y tienden a colgar alrededor de la columna de iones hasta que son arrastrados por un campo eléctrico externo. Los iones con cargas positivas se desplazan en la dirección opuesta y pueden medirse.

Para haces de partículas de electrones (con carga negativa) o positrones (con carga positiva), la forma del campo eléctrico se asemeja a una rosquilla y produce una columna de plasma en forma de anillo, sin iones inicialmente en la trayectoria del rayo:el orificio de la rosquilla. Estos haces de partículas pueden proporcionar una potente patada a los electrones, que puede dejar una columna de iones en forma de anillo. Y esos iones pueden ser guiados por un campo eléctrico a un detector que mide la cantidad de iones, su velocidad, y su estado cargado.

El último estudio muestra que la nueva herramienta de medición también puede obtener más información sobre el haz en sí de esta "dona de iones" en las condiciones de funcionamiento adecuadas, con la densidad y mezcla de gases adecuadas. por ejemplo.

El equipo llevó a cabo simulaciones sofisticadas utilizando un código de computadora refinado por Berkeley Lab conocido como WARP y otro código conocido como VSim. Los investigadores modelaron la interacción de los haces de partículas y fotones con los gases y la consiguiente dinámica relacionada con el plasma.

"Las simulaciones nos permitieron hacer zoom en el espacio y el tiempo, desde la escala de centímetros hasta el tamaño submicrónico del haz, y seguir la dinámica y distribución de electrones e iones en diferentes escalas de tiempo, "dijo Jean-Luc Vay, un científico senior en Berkeley Lab que contribuyó al código WARP y lidera el Programa de Modelado Acelerador en la División ATAP del Laboratorio.

Vay señaló que los aspectos del código resultaron clave en el modelado preciso y la comprensión de las diferencias entre los efectos de los haces de partículas y los de fotones. y en encontrar la mejor manera de sintonizar y operar el sistema.

Una vez que se implementa el sistema de diagnóstico completo en los sistemas de aceleración, Las simulaciones ayudarán a verificar la realidad de las mediciones reales en experimentos y ayudarán a desarrollar un camino para optimizar el rendimiento del haz.

"Los pequeños cambios se pueden resolver con mucha precisión, " ella dijo, basado en mediciones de pulsos de haz individuales.

La técnica propuesta también abre la posibilidad de estudiar la dinámica inducida por cargas en la materia, y puede proporcionar más información sobre las escalas de tiempo de los procesos atómicos o moleculares fundamentales que se estudian con pulsos de fotones de attosegundos, ella dijo, incluyendo una propiedad conocida como túnel cuántico en el que una partícula puede parecer que "túnel" espontáneamente a través de la barrera potencial del átomo desafiando la física clásica.

Y Tarkeshian señala que el diagnóstico propuesto podría resultar útil para los láseres de rayos X de electrones libres (XFEL) existentes, como el FEL de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador de SLAC, la instalación FLASH en DESY en Alemania, SwissFEL en el Paul Scherrer Institute (PSI) en Suiza, entre otros, e instalaciones en construcción como el LCLS-II en SLAC.

Por ejemplo, Se ha instalado un prototipo en LCLS con el apoyo y las contribuciones del científico de SLAC Patrick Krejcik y un equipo de PSI para diagnosticar el ultracorto. racimos de electrones de alta energía producidos por su acelerador.

Tarkeshian señaló que se han desarrollado otras herramientas para proporcionar mediciones de las propiedades del acelerador y del rayo XFEL, pero a medida que los pulsos de los haces acumulan más y más intensidad y energía en pulsos cada vez más cortos, Se necesitarán nuevas herramientas para seguir el ritmo de estos rayos extremos.

Ella atribuyó algunas décadas de trabajo en un diagnóstico propuesto para un proyecto de acelerador de prueba en SLAC conocido como Final Focus Test Beam, o FFTB, al allanar el camino para este nuevo concepto de diseño.

"En nuestro último trabajo, hemos estudiado no solo los conceptos sino que también hemos abordado los retos que esta técnica puede afrontar de forma experimental, "Dijo Tarkeshian.

"Es fantástico revivir este concepto inconcluso de hace décadas con nuevas ideas, y con un apoyo continuo podemos realizar su potencial, ", agregó." Este es un camino muy abierto, y apenas estamos comenzando ".

Leemans dijo:"Creemos que la realización práctica de esta técnica innovadora será, en última instancia, de gran interés para la física internacional de alta energía y las comunidades científicas en general impulsadas por aceleradores".