El láser más intenso del mundo está a punto de obtener una mejora de potencia con 2 millones de dólares de la National Science Foundation.

Con más energía láser para enfocar, investigadores de la Universidad de Michigan y colaboradores de todo el mundo pueden crear mejores dispositivos de mesa que produzcan rayos de partículas y rayos X para aplicaciones médicas y de seguridad nacional, y también explorar misterios en astrofísica y el reino cuántico.

El poder del láser HERCULES proviene de una serie de cinco láseres de "bomba" integrados que amplifican pulsos de luz ultracortos. Para mejorar la potencia de HERCULES de 300 billones de vatios, o teravatios (TW), a 500 o incluso 1, 000 TW, los investigadores reemplazarán los tres últimos de esos láseres de bomba.

Si HERCULES puede lograr 1, 000 TW, volvería a estar entre los láseres más potentes de los EE. UU. el aumento de potencia aumentará la apuesta inicial en su récord de intensidad, actualmente 20 sextillones (2x1022) vatios por centímetro cuadrado. El HERCULES mejorado debería poder duplicar o incluso triplicar esa intensidad.

Una década atrás, cuando los ingenieros de Michigan construyeron por primera vez HERCULES, los láseres de bombas comerciales en los que se basa el sistema no pudieron alcanzar los ambiciosos 300 TW (récord en ese momento) que los investigadores tenían en mente. Tuvieron que construir sus propios láseres de bomba. Ahora, impulsado por una demanda de proyectos internacionales que buscan niveles de energía al norte de 10, 000 TW, Los láseres de bomba comerciales pueden superar a las versiones caseras que se ejecutan en HERCULES en la actualidad. Esta nueva tecnología es lo que llevará a HERCULES a una potencia e intensidad más altas que nunca.

"Esta actualización permite una amplia variedad de experimentos diferentes, "dijo Karl Krushelnick, Profesor de la U-M de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas y director del Centro de Ciencia Óptica Ultrarrápida, que alberga a HERCULES. "Existen estas interesantes aplicaciones, y también abre un nuevo régimen en la mismísima frontera de la física del plasma, donde los fenómenos cuánticos comienzan a jugar un papel importante ".

Esto es lo que los investigadores deben esperar:

• Aceleradores de mesa:los aceleradores de partículas convencionales suelen tener cientos de metros de largo, pero la luz láser puede impulsar la aceleración de partículas y producir otros rayos de alta energía, como rayos X, en unos pocos metros cuadrados o menos. En el futuro, Los aceleradores de partículas impulsados ​​por láser pueden ayudar a revelar una nueva física o impulsar láseres de rayos X ultracompactos. Los haces de partículas y rayos X también se pueden utilizar para determinar la presencia de materiales nucleares en los contenedores de transporte que llegan a los puertos. Se utilizan para tratamientos médicos como la radioterapia.
• Rayos X que diferencian los tejidos blandos:los haces de rayos X de alta energía emitidos por aceleradores láser podrían permitir imágenes de rayos X avanzadas que pueden encontrar los límites entre los tejidos blandos, a diferencia de los rayos X convencionales, que son mejores para seleccionar materiales densos como el hueso. Cuando los rayos X de un acelerador láser viajan a través de diferentes materiales, sus ondas se desincronizan en diferentes grados, y esto puede distinguir entre un pulmón y un corazón, por ejemplo. Este método de medición sería más económico y ofrecería resultados más rápidos que una resonancia magnética.
• Explosiones de rayos gamma:misterios astrofísicos:¿Cómo se producen en el espacio llamaradas de poderosa radiación electromagnética que no duran más de unos pocos segundos? Una teoría sostiene que los campos magnéticos muy fuertes, cerca de los agujeros negros, por ejemplo, puede estar rompiéndose. Cuando las líneas del campo magnético se vuelven a unir, pueden acelerar las partículas que liberan estas poderosas ráfagas de energía electromagnética en forma de rayos gamma. Al utilizar el láser HERCULES en el laboratorio, el equipo puede crear fuertes campos magnéticos a escalas microscópicas que pueden romperse y volver a conectarse de la misma manera, arrojar luz sobre si este es realmente el mecanismo detrás de los estallidos de rayos gamma.
• Preguntas sobre la electrodinámica cuántica de campo fuerte:La electrodinámica cuántica, la descripción cuántica de la luz y sus interacciones con la materia, no se ha probado adecuadamente en algunas situaciones extremas. Por ejemplo, cuando los campos eléctricos son lo suficientemente fuertes, Se predice que se producirá el fenómeno de "hervir el vacío":la materia y la antimateria pueden aparecer espontáneamente de la nada. Campos eléctricos así de fuertes se pueden encontrar en atmósferas de estrellas de neutrones, por ejemplo. El láser HERCULES mejorado puede simular estos entornos acelerando los electrones hasta casi la velocidad de la luz, de modo que, desde el punto de vista de los electrones, los campos son lo suficientemente fuertes como para generar partículas a partir del vacío. Al observar cómo se comportan los electrones, los investigadores pueden deducir si las predicciones de la electrodinámica cuántica son precisas.

Krushelnick anticipa que las capacidades ampliadas de HERCULES permitirán a los investigadores de la U-M que se especializan en estas áreas realizar experimentos que antes eran imposibles. Además, HERCULES impulsa experimentos para investigadores en los EE. UU. Y en el extranjero, por lo que la actualización lo hará más valioso como recurso científico nacional.