En una investigación recientemente publicada en la Universidad de Strathclyde se ha resuelto un enigma sobresaliente sobre lo que sucede con la energía láser después de que los rayos se disparan al plasma.

El estudio descubrió que las mismas fuerzas que producen una burbuja en plasma en el acelerador de campo de wakefield láser-plasma producen dos haces de electrones adicionales de baja energía pero de alta carga simultáneamente con un haz de baja carga de alta energía. Estos rayos de alta carga pueden tener mil veces más carga que el rayo de alta energía.

Plasma, el estado en el que existe casi todo el universo, puede soportar campos eléctricos que son 1, 000 a 10, 000 veces mayor que en los aceleradores convencionales, simplemente separando las partículas con carga positiva y negativa que componen el medio plasmático, que es cuasi-neutral.

Esto se puede lograr fácilmente utilizando un intenso pulso de láser, cuya ligera presión empuja a los electrones fuera de su camino, dejando atrás los iones mucho más pesados ​​que permanecen en su lugar y ejercen una fuerza de atracción sobre los electrones desplazados. Los electrones desplazados oscilan alrededor de los iones estacionarios dando como resultado una estela detrás del pulso láser, de manera similar a la estela detrás de un barco.

Debido a que el pulso láser viaja a una velocidad cercana a la de la luz en el vacío, la estela puede rastrear y acelerar partículas cargadas rápidamente a energías muy altas, en tramos extremadamente cortos.

El trabajo de investigación, titulado Tres haces de electrones de un acelerador de campo de estela láser-plasma y la pregunta de distribución de energía, ha sido publicado en Informes científicos .

Profesor Dino Jaroszynski, del Departamento de Física de Strathclyde, dirigió el estudio. Dijo:"El intenso pulso láser que usamos, y la aceleración de la estela que crea, conducen a un acelerador láser wakefield muy compacto, que mide milímetros de largo, en lugar de decenas de metros de largo, para un acelerador convencional equivalente. La estela de plasma se forma en algo como una burbuja en forma de Acelerador Van de Graaf en miniatura accionado por láser, que viaja a una velocidad cercana a la de la luz.

"Parte de la energía láser se convierte en energía electrostática de la burbuja de plasma, que tiene un diámetro de varias micras. Los aceleradores convencionales almacenan su energía de microondas en cavidades superconductoras o de cobre, que tienen una capacidad limitada de transporte de energía.

"Un acertijo interesante que no se ha considerado antes es la cuestión de dónde va la energía láser después de ser depositada en el plasma. Sabemos a dónde va parte de esta energía debido a la presencia de electrones de alta energía emitidos en un estrecho, haz dirigido hacia adelante.

"Uno de estos rayos se emite mediante una acción de honda en un cono amplio dirigido hacia adelante, con varias energías MeV (megaelectronvoltio) y carga a nivel de nanocoulomb. Paradójicamente, otro rayo se emite en la dirección hacia atrás, que tiene una carga similar pero una energía de alrededor de 200 keV (kilo electronvoltio). Estos rayos transportan una cantidad significativa de energía de la burbuja de plasma.

"Es interesante observar que responder a una pregunta muy básica - ¿adónde va la energía láser? - produce respuestas sorprendentes y paradójicas. Introduciendo una nueva tecnología, como el acelerador láser-wakefield, puede cambiar la forma en que pensamos sobre los aceleradores. El resultado es una fuente muy novedosa de varios haces de partículas de carga emitidos simultáneamente.

"Mi grupo de investigación ha demostrado que el acelerador de wakefield produce tres haces, dos de los cuales son de baja energía y alta carga, y el tercero, alta energía y baja carga ".

Dr. Enrico Brunetti, investigador del Departamento de Física de Strathclyde y miembro del grupo de investigación, dijo:"Estos haces pueden proporcionar un alto flujo útil de electrones o fotones bremsstrahlung en un área grande, que se puede utilizar para aplicaciones de imágenes, o para investigar daños por radiación en materiales. Si no se vierte correctamente, ellos pueden, sin embargo, tener efectos secundarios indeseables, como causar daños al equipo colocado cerca del acelerador.

"Esta es una preocupación particular para los aceleradores más largos, que a menudo utilizan guías de ondas de plasma basadas en capilares para guiar el rayo láser a largas distancias. Estos de baja energía, Los rayos de alta carga también transportan una gran cantidad de energía fuera del plasma, estableciendo un límite a la eficiencia de los aceleradores láser-wakefield.

"Este es un tema que debe tenerse en cuenta en el futuro diseño y construcción de aceleradores láser-wakefield".