Combinando un primer pulso láser para calentar y "perforar" a través de un plasma, y otro para acelerar los electrones a energías increíblemente altas en solo decenas de centímetros, Los científicos casi han duplicado el récord anterior de aceleración de partículas impulsadas por láser.

Los experimentos de plasma láser, realizado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), están avanzando hacia tipos de aceleración de partículas más compactos y asequibles para potenciar exóticos, Máquinas de alta energía, como láseres de rayos X de electrones libres y colisionadores de partículas, que podrían permitir a los investigadores ver más claramente a escala de moléculas. átomos, e incluso partículas subatómicas.

El nuevo récord de propulsión de electrones a 7.800 millones de electronvoltios (7.8 GeV) en el Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center supera un resultado de 4.25 GeV en BELLA anunciado en 2014. La última investigación se detalla en la edición del 25 de febrero de la revista. Cartas de revisión física . El resultado récord se logró durante el verano de 2018.

El experimento utilizó pulsos de láser "impulsores" increíblemente intensos y cortos, cada uno con una potencia máxima de aproximadamente 850 billones de vatios y limitado a una longitud de pulso de aproximadamente 35 billonésimas de segundo (35 femtosegundos). La potencia máxima equivale a encender alrededor de 8,5 billones de bombillas de 100 vatios simultáneamente, aunque las bombillas se encenderían solo durante decenas de femtosegundos.

Cada intenso pulso de láser impulsor generaba una fuerte "patada" que agitaba una onda dentro de un plasma, un gas que se había calentado lo suficiente como para crear partículas cargadas. incluidos los electrones. Los electrones montaron la cresta de la onda de plasma, como un surfista montando una ola del océano, para alcanzar energías récord dentro de un tubo de zafiro de 20 centímetros de largo.

"La creación de grandes ondas de plasma no fue suficiente, "señaló Anthony Gonsalves, el autor principal del último estudio. "También necesitábamos crear esas ondas en toda la longitud del tubo de 20 centímetros para acelerar los electrones a una energía tan alta".

Para hacer esto se requiere un canal de plasma, que confina un pulso láser de la misma manera que un cable de fibra óptica canaliza la luz. Pero a diferencia de una fibra óptica convencional, un canal de plasma puede soportar los pulsos de láser ultra intensos necesarios para acelerar los electrones. Para formar tal canal de plasma, necesita hacer que el plasma sea menos denso en el medio.

En el experimento de 2014, se utilizó una descarga eléctrica para crear el canal de plasma, pero para ir a energías más altas, los investigadores necesitaban que el perfil de densidad del plasma fuera más profundo, por lo que era menos denso en el medio del canal. En intentos anteriores, el láser perdió su enfoque y dañó el tubo de zafiro. Gonsalves notó que incluso las áreas más débiles del foco del rayo láser, las llamadas "alas", eran lo suficientemente fuertes como para destruir la estructura de zafiro con la técnica anterior.

Eric Esarey, Director del Centro BELLA, dijo que la solución a este problema se inspiró en una idea de la década de 1990 de utilizar un pulso láser para calentar el plasma y formar un canal. Esta técnica se ha utilizado en muchos experimentos, incluido un esfuerzo de 2004 Berkeley Lab que produjo haces de alta calidad que alcanzaban los 100 millones de electronvoltios (100 MeV).

Tanto el equipo de 2004 como el equipo involucrado en el último esfuerzo fueron dirigidos por el ex director del Centro de ATAP y BELLA, Wim Leemans, que ahora se encuentra en el laboratorio DESY en Alemania. Los investigadores se dieron cuenta de que la combinación de los dos métodos y la colocación de un rayo calefactor en el centro del capilar profundiza y estrecha aún más el canal de plasma. Esto proporcionó un camino a seguir para lograr haces de mayor energía.

En el último experimento, Gonsalves dijo:"La descarga eléctrica nos brindó un control exquisito para optimizar las condiciones del plasma para el pulso del láser del calentador. El momento de la descarga eléctrica, pulso del calentador, y el pulso del conductor era crítico ".

La técnica combinada mejoró radicalmente el confinamiento del rayo láser, preservando la intensidad y el enfoque del láser de conducción, y limitando su tamaño de mancha, o diámetro, a solo decenas de millonésimas de metro mientras se movía a través del tubo de plasma. Esto permitió el uso de un plasma de menor densidad y un canal más largo. El registro anterior de 4,25 GeV había utilizado un canal de 9 centímetros.

El equipo necesitaba nuevos modelos numéricos (códigos) para desarrollar la técnica. Una colaboración que incluye Berkeley Lab, el Instituto Keldysh de Matemáticas Aplicadas en Rusia, y el Proyecto ELI-Beamlines en la República Checa adaptó e integró varios códigos. Combinaron MARPLE y NPINCH, desarrollado en el Keldysh Institute, para simular la formación del canal; e INF &RNO, desarrollado en el Centro BELLA, para modelar las interacciones láser-plasma.

"Estos códigos nos ayudaron a ver rápidamente qué marca la mayor diferencia:cuáles son las cosas que le permiten lograr el guiado y la aceleración, "dijo Carlo Benedetti, el desarrollador líder de INF &RNO. Una vez que se demostró que los códigos concuerdan con los datos experimentales, se hizo más fácil interpretar los experimentos, El lo notó.

"Ahora está en el punto en el que las simulaciones pueden llevarnos y decirnos qué hacer a continuación, "Dijo Gonsalves.

Benedetti señaló que los cálculos pesados ​​en los códigos se basaron en los recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en Berkeley Lab. El trabajo futuro que empuje hacia una aceleración de mayor energía podría requerir cálculos mucho más intensivos que se acerquen a un régimen conocido como computación a exaescala.

"Hoy dia, los haces producidos podrían permitir la producción y captura de positrones, "que son las contrapartes cargadas positivamente de los electrones, dijo Esarey.

Señaló que existe el objetivo de alcanzar energías de 10 GeV en aceleración de electrones en BELLA, y los experimentos futuros se centrarán en este umbral y más allá.

"En el futuro, múltiples etapas de alta energía de aceleración de electrones podrían acoplarse para realizar un colisionador electrón-positrón para explorar la física fundamental con nueva precisión, " él dijo.