¿Cómo exploran los investigadores la naturaleza en su nivel más fundamental? Construyen "supermicroscopios" que pueden resolver detalles atómicos y subatómicos. Esto no funcionará con luz visible pero pueden sondear las dimensiones más pequeñas de la materia con haces de electrones, ya sea usándolos directamente en colisionadores de partículas o convirtiendo su energía en rayos X brillantes en láseres de rayos X. En el corazón de estas máquinas de descubrimiento científico se encuentran los aceleradores de partículas que primero generan electrones en una fuente y luego aumentan su energía en una serie de cavidades de aceleradores.

Ahora, un equipo internacional de investigadores, incluidos científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, ha demostrado una fuente de electrones potencialmente mucho más brillante basada en plasma que podría usarse en sistemas más compactos, aceleradores de partículas más potentes.

El método, en el que los electrones para el haz se liberan de átomos neutros dentro del plasma, se conoce como la técnica del caballo de Troya porque recuerda la forma en que se dice que los antiguos griegos invadieron la ciudad de Troya al esconder sus soldados enérgicos (electrones) dentro de un caballo de madera (plasma), que luego fue detenido en la ciudad (acelerador).

"Nuestro experimento muestra por primera vez que el método del caballo de Troya realmente funciona, "dice Bernhard Hidding de la Universidad de Strathclyde en Glasgow, Escocia, el investigador principal de un estudio publicado hoy en Física de la naturaleza . "Es uno de los métodos más prometedores para las futuras fuentes de electrones y podría traspasar los límites de la tecnología actual".

Reemplazo de metal con plasma

En los aceleradores actuales de última generación, los electrones se generan al hacer brillar la luz láser sobre un fotocátodo metálico, que expulsa electrones del metal. Estos electrones luego se aceleran dentro de las cavidades metálicas, donde extraen cada vez más energía de un campo de radiofrecuencia, resultando en un haz de electrones de alta energía. En láseres de rayos X, como la fuente de luz coherente Linac de SLAC (LCLS), el rayo impulsa la producción de rayos X extremadamente brillantes.

Pero las cavidades metálicas solo pueden soportar una ganancia de energía limitada a una distancia determinada, o gradiente de aceleración, antes de romperse, y por lo tanto, los aceleradores para haces de alta energía se vuelven muy grandes y costosos. En años recientes, Los científicos de SLAC y otros lugares han buscado formas de hacer que los aceleradores sean más compactos. Ellos demostraron, por ejemplo, que pueden reemplazar las cavidades metálicas con plasma que permite gradientes de aceleración mucho más altos, potencialmente reduciendo la duración de los aceleradores futuros de 100 a 1, 000 veces.

El nuevo artículo amplía el concepto de plasma a la fuente de electrones de un acelerador.

"Hemos demostrado anteriormente que la aceleración del plasma puede ser extremadamente potente y eficiente, pero todavía no hemos podido producir vigas con la calidad suficiente para aplicaciones futuras, "dice el coautor Mark Hogan de SLAC." Mejorar la calidad del haz es una prioridad para los próximos años, y el desarrollo de nuevos tipos de fuentes de electrones es una parte importante de eso ".

Según cálculos anteriores de Hidding y colegas, la técnica del caballo de Troya podría generar haces de electrones de 100 a 10, 000 veces más brillante que los rayos más potentes de la actualidad. Los haces de electrones más brillantes también harían más brillantes los futuros láseres de rayos X y mejorarían aún más sus capacidades científicas.

"Si somos capaces de unir los dos impulsos principales, los altos gradientes de aceleración en el plasma y la creación de haces en el plasma, podríamos construir láseres de rayos X que desplieguen la misma potencia en una distancia de unos pocos metros en lugar de kilómetros, "dice el coautor James Rosenzweig, el investigador principal del proyecto del caballo de Troya en la Universidad de California, Los Angeles.

Produciendo haces de electrones superiores

Los investigadores llevaron a cabo su experimento en la instalación de SLAC para pruebas experimentales de aceleradores avanzados (FACET). La instalación, que actualmente está experimentando una actualización importante, genera pulsos de electrones altamente energéticos para la investigación de tecnologías de aceleradores de próxima generación, incluida la aceleración del plasma.

Primero, el equipo proyectó luz láser en una mezcla de gas hidrógeno y helio. La luz tenía la energía suficiente para quitar los electrones del hidrógeno, convirtiendo hidrógeno neutro en plasma. No fue lo suficientemente enérgico para hacer lo mismo con el helio, aunque, cuyos electrones están más unidos que los del hidrógeno, por lo que permaneció neutral dentro del plasma.

Luego, los científicos enviaron uno de los grupos de electrones de FACET a través del plasma, donde produjo una estela de plasma, al igual que una lancha crea una estela cuando se desliza por el agua. Los electrones que se arrastran pueden "surfear" la estela y ganar enormes cantidades de energía.

Más trabajo de I + D por delante

Pero antes de que aplicaciones como los láseres de rayos X compactos pudieran convertirse en realidad, se necesita hacer mucha más investigación.

Próximo, los investigadores quieren mejorar la calidad y estabilidad de su haz y trabajar en mejores diagnósticos que les permitan medir el brillo real del haz, en lugar de estimarlo.

Estos desarrollos se realizarán una vez que se actualice FACET, FACET-II, esta completado. "El experimento se basa en la capacidad de utilizar un fuerte haz de electrones para producir la estela de plasma, "dice Vitaly Yakimenko, director de la División FACET de SLAC. "FACET-II será el único lugar en el mundo que producirá tales haces con suficiente intensidad y energía".

En este estudio, los electrones que se arrastran provienen del plasma (vea la animación de arriba y la película a continuación). Justo cuando el grupo de electrones y su estela pasaron, los investigadores eliminaron el helio en el plasma con un segundo, flash láser bien enfocado. Esta vez, el pulso de luz tuvo suficiente energía para expulsar electrones de los átomos de helio, y luego los electrones se aceleraron en la estela.

La sincronización entre el grupo de electrones, corriendo a través del plasma con casi la velocidad de la luz, y el flash láser, durando apenas unas millonésimas de mil millonésimas de segundo, fue particularmente importante y desafiante, dice Aihua Deng de UCLA, uno de los autores principales del estudio:"Si el flash llega demasiado pronto, los electrones que produce perturbarán la formación de la estela de plasma. Si llega demasiado tarde la estela del plasma se ha movido y los electrones no se acelerarán ".

Los investigadores estiman que el brillo del haz de electrones obtenido con el método del caballo de Troya ya puede competir con el brillo de las fuentes de electrones de última generación existentes.

"Lo que hace que nuestra técnica sea transformadora es la forma en que se producen los electrones, "dice Oliver Karger, el otro autor principal, que estaba en la Universidad de Hamburgo, Alemania, en el momento del estudio. Cuando los electrones se eliminan del helio, se aceleran rápidamente en la dirección de avance, que mantiene el haz de luz en un haz estrecho y es un requisito previo para obtener haces más brillantes.