Los científicos han desarrollado con éxito un acelerador de partículas de bolsillo capaz de proyectar haces de electrones ultracortos con luz láser a más del 99,99% de la velocidad de la luz.

Para lograr este resultado, Los investigadores han tenido que reducir la velocidad de la luz para igualar la velocidad de los electrones utilizando una estructura metálica especialmente diseñada forrada con capas de cuarzo más delgadas que un cabello humano.

Este gran salto adelante ofrece simultáneamente la capacidad de medir y manipular racimos de partículas en escalas de tiempo de menos de 10 femtosegundos (0,000 000 000 000 01 segundos, o el tiempo que tarda la luz en viajar 1/100 de milímetro). Esto les permitirá crear fotografías estroboscópicas de movimiento atómico.

Esta exitosa demostración allana el camino para el desarrollo de productos de alta energía, carga alta aceleradores impulsados ​​por terahercios (THz) de alta calidad, que prometen ser más económicos y compactos. Reducir el tamaño y el costo de la tecnología de aceleradores, abrirá estas increíbles máquinas a una gama mucho más amplia de aplicaciones.

Los aceleradores de partículas están muy extendidos con aplicaciones en la investigación básica en física de partículas, caracterización de materiales, radioterapia en hospitales, donde se utilizan para tratar pacientes con cáncer, producción de radioisótopos para imágenes médicas, y control de seguridad de la carga. Sin embargo, la tecnología básica (osciladores de radiofrecuencia) que sustenta estas máquinas, fue desarrollado para radar durante la Segunda Guerra Mundial.

En una nueva investigación publicada hoy en Fotónica de la naturaleza , un equipo colaborativo de académicos muestra que su solución única es utilizar láseres para generar pulsos de luz de frecuencia de terahercios. Terahercios es una región del espectro electromagnético entre el infrarrojo (utilizado en los controles remotos de TV) y el microondas (utilizado en los hornos microondas). La radiación THz generada por láser existe en el régimen ideal de longitud de onda de escala milimétrica, simplificando la fabricación de estructuras, pero lo más importante, proporcionando las longitudes de medio ciclo que son adecuadas para la aceleración de grupos de electrones completos con altos niveles de carga.

El autor principal del artículo, el Dr. Morgan Hibberd de la Universidad de Manchester, dijo:"El principal desafío era hacer coincidir la velocidad del campo THz acelerado con la velocidad del haz de electrones casi a la velocidad de la luz, al mismo tiempo que evita que la velocidad inherentemente más baja de la envolvente del pulso THz que se propaga a través de nuestra estructura de aceleración degrade significativamente la longitud sobre la que interactúan el campo conductor y los electrones ".

"Superamos este problema desarrollando una fuente de THz única que producía pulsos más largos que contenían solo un rango estrecho de frecuencias, mejorando significativamente la interacción. Nuestro próximo hito es demostrar ganancias de energía aún mayores mientras se mantiene la calidad del haz. Anticipamos que esto se logrará mediante refinamientos para aumentar nuestra fuente de energía de THz, que ya están en marcha ".

El profesor Steven Jamison de la Universidad de Lancaster, que lidera conjuntamente el programa, explicó:"La aceleración controlada de haces relativistas con pulsos de láser de frecuencia de terahercios es un hito en el desarrollo de un nuevo enfoque para los aceleradores de partículas. Al utilizar frecuencias electromagnéticas cien veces más altas que en los aceleradores de partículas convencionales, se hace posible un avance revolucionario en el control de los haces de partículas a escalas de tiempo de femtosegundos ".

"Con nuestra demostración de la aceleración de terahercios de partículas que viajan al 99,99% de la velocidad de la luz, hemos confirmado una ruta para escalar la aceleración de terahercios a energías altamente relativistas ".

Si bien los investigadores tienen en mente el papel a largo plazo de sus conceptos en la sustitución de los aceleradores de investigación a escala de varios kilómetros (como la fuente de rayos X de 3 km de Europa en Hamburgo) por dispositivos de apenas metros de longitud, esperan que los impactos inmediatos sean en los campos de la radioterapia y en la caracterización de materiales.

Dr. Darren Graham, El profesor titular de Física de la Universidad de Manchester dijo:"Lograr este hito no habría sido posible sin el entorno de colaboración único proporcionado por el Instituto Cockcroft, que ha ayudado a reunir a científicos e ingenieros de la Universidad de Lancaster, La Universidad de Manchester y el personal de STFC en Daresbury Laboratory ".