Al observar electrones que se han acelerado a energías extremadamente altas, los científicos pueden descubrir pistas sobre las partículas que componen nuestro universo.

Acelerar electrones a energías tan altas en un entorno de laboratorio, sin embargo, es un desafío:por lo general, cuanto más energéticos son los electrones, cuanto mayor sea el acelerador de partículas. Por ejemplo, para descubrir el bosón de Higgs, la "partícula de Dios, "responsable de la masa en el universo:los científicos del laboratorio del CERN en Suiza utilizaron un acelerador de partículas de casi 17 millas de largo".

Pero, ¿y si hubiera una forma de reducir los aceleradores de partículas? producir electrones de alta energía en una fracción de la distancia?

En un artículo publicado en Cartas de revisión física , Los científicos del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester describieron un método para dar forma a la luz láser intensa de una manera que acelera los electrones para registrar energías en distancias muy cortas:los investigadores estiman que el acelerador sería 10, 000 veces más pequeño que una configuración propuesta que registra energía similar, reduciendo el acelerador de casi la longitud de Rhode Island a la longitud de una mesa de comedor. Con tal tecnología, los científicos podrían realizar experimentos de mesa para sondear el bosón de Higgs o explorar la existencia de dimensiones adicionales y nuevas partículas que podrían llevar al sueño de Albert Einstein de una gran teoría unificada del universo.

"Los electrones de mayor energía son necesarios para estudiar la física fundamental de partículas, "dice John Palastro, científico de LLE y autor principal del artículo. "Los aceleradores de electrones proporcionan un espejo en un mundo subatómico habitado por los bloques de construcción fundamentales del universo".

Si bien esta investigación es actualmente teórica, el LLE está trabajando para hacerlo realidad a través de planes para construir el láser de mayor potencia del mundo en el LLE. El laser ser nombrado EP-OPAL, permitirá a los investigadores crear la tecnología y los pulsos de luz esculpidos extremadamente poderosos descritos en este artículo.

El acelerador de electrones descrito por los investigadores se basa en una técnica revolucionaria para esculpir la forma de los pulsos láser de modo que sus picos puedan viajar más rápido que la velocidad de la luz.

"Esta tecnología podría permitir que los electrones se aceleraran más allá de lo que es posible con las tecnologías actuales, "dice Dustin Froula, científico senior de LLE y uno de los autores del artículo.

Para esculpir los pulsos láser, los investigadores desarrollaron una configuración óptica novedosa que se asemeja a un anfiteatro circular con "pasos" del tamaño de una longitud de onda que se utilizan para crear un retardo de tiempo entre los anillos concéntricos de luz emitidos por un láser de alta potencia.

Una lente típica enfoca cada anillo de luz de un láser a una sola distancia de la lente, formando un solo punto de luz de alta intensidad. En lugar de usar una lente típica, sin embargo, los investigadores utilizan una lente de forma exótica, lo que les permite enfocar cada anillo de luz a una distancia diferente de la lente, creando una línea de alta intensidad en lugar de un solo punto.

Cuando este pulso de luz esculpido entra en un plasma, una sopa caliente de electrones e iones que se mueven libremente, crea una estela, similar a la estela detrás de una lancha a motor. Esta estela se propaga a la velocidad de la luz. Al igual que un esquiador acuático en la estela de un barco, los electrones luego se aceleran a medida que viajan sobre la estela de los pulsos de luz láser esculpidos.

Estos "aceleradores láser de wakefield" (LWFA) se teorizaron por primera vez hace casi 40 años, y fueron adelantados por la invención de la amplificación de pulsos chirridos (CPA), una técnica desarrollada en la LLE por los premios Nobel de 2018 Donna Strickland y Gerard Mourou.

Versiones anteriores de LWFA, sin embargo, usado tradicional, pulsos de luz no estructurados que se propagan más lentamente que la velocidad de la luz, lo que significaba que los electrones superarían la estela, limitando su aceleración. Los nuevos pulsos de luz esculpidos permiten velocidades más rápidas que la luz para que los electrones puedan montar la estela indefinidamente y acelerarse continuamente.

"Este trabajo es extremadamente innovador y cambiaría las reglas del juego para los aceleradores láser, "dice Michael Campbell, director de la LLE. "Esta investigación muestra el valor de la física del plasma teórica y experimental trabajando en estrecha colaboración con destacados científicos e ingenieros de láser; representa lo mejor de la cultura de LLE".