El equipo de LUX en DESY está celebrando no solo uno, sino dos hitos en el desarrollo de innovadores aceleradores de plasma. Los científicos de la Universidad de Hamburgo y DESY utilizaron su acelerador para probar una técnica que permite mantener particularmente estrecha la distribución de energía de los haces de electrones producidos. También utilizaron inteligencia artificial para permitir que el acelerador optimizara su propio funcionamiento. Los científicos informan de sus experimentos en dos artículos publicados poco después uno del otro en la revista. Cartas de revisión física . "Es fantástico ver la velocidad con la que la nueva tecnología de aceleración de plasma está alcanzando un nivel de madurez en el que se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, "felicita a Wim Leemans, Director de la División Aceleradora de DESY.

La aceleración por plasma es una tecnología innovadora que está dando lugar a una nueva generación de aceleradores de partículas que no solo son notablemente compactos sino también extremadamente versátiles. El objetivo es hacer que los electrones acelerados estén disponibles para aplicaciones en varios campos diferentes de la industria, ciencia y medicina.

La aceleración tiene lugar en un canal diminuto, solo unos pocos milímetros de largo, lleno de un gas ionizado llamado plasma. Un pulso de láser intenso genera una onda dentro del canal, que puede capturar y acelerar electrones del plasma. "Como un surfista, los electrones son transportados por la onda de plasma, que los acelera a altas energías, "explica Manuel Kirchen, autor principal de uno de los artículos. "Con esta técnica, Los aceleradores de plasma son capaces de conseguir aceleraciones hasta mil veces superiores a las de las máquinas más potentes que se utilizan en la actualidad. "añade Sören Jalas, autor del segundo artículo.

Sin embargo, esta compacidad es tanto una maldición como una bendición:dado que el proceso de aceleración se concentra en un espacio diminuto que es hasta 1000 veces más pequeño que el convencional, máquinas a gran escala, la aceleración se produce en condiciones realmente extremas. Por lo tanto, Aún deben superarse una serie de desafíos antes de que la nueva tecnología esté lista para entrar en producción en serie.

El equipo de investigación dirigido por Andreas Maier, un físico de aceleradores en DESY, ha alcanzado ahora dos hitos críticos en las instalaciones de prueba de LUX, operadas conjuntamente por DESY y la Universidad de Hamburgo:han encontrado una manera de reducir significativamente la distribución de energía de los racimos de electrones acelerados, una de las propiedades más esenciales para muchas aplicaciones potenciales. Para hacer esto, programaron un piloto automático de autoaprendizaje para el acelerador, que optimiza automáticamente LUX para un rendimiento máximo.

El grupo realizó sus experimentos utilizando un nuevo tipo de célula plasmática, especialmente desarrollado para el propósito, cuyo canal de plasma se divide en dos regiones. El plasma se genera a partir de una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en la parte frontal de la celda, que mide unos 10 milímetros de largo, mientras que la región detrás de él está llena de hidrógeno puro. Como resultado, los investigadores pudieron obtener los electrones para su grupo de partículas de la parte frontal de la celda de plasma, que luego se aceleraron en toda la sección trasera de la celda. "Estar más estrechamente ligado, los electrones en el nitrógeno se liberan un poco más tarde, y eso los hace ideales para ser acelerados por la onda de plasma, "explica Manuel Kirchen. El grupo de electrones también absorbe energía de la onda de plasma, cambiando la forma de la ola. "Pudimos aprovechar este efecto y ajustar la forma de la onda para que los electrones alcancen la misma energía independientemente de su posición a lo largo de la onda, "agrega Kirchen.

Basado en esta receta para lograr una alta calidad de haz de electrones, Luego, el equipo obtuvo un segundo éxito de investigación:Sören Jalas y sus colegas pudieron usar inteligencia artificial (IA) para modificar un algoritmo que controla y optimiza el complejo sistema del acelerador de plasma. Para hacerlo los científicos proporcionaron al algoritmo un modelo funcional del acelerador de plasma y un conjunto de parámetros ajustables, que luego el algoritmo optimizó por sí solo. Esencialmente, el sistema modificó cinco parámetros principales, incluyendo la concentración y densidad de los gases y la energía y foco del láser, y utilizó las mediciones resultantes para buscar un punto operativo en el que el haz de electrones tenga la calidad óptima. "En el curso de su acto de equilibrio en el espacio de 5 dimensiones, el algoritmo estaba aprendiendo constantemente y refinaba muy rápidamente el modelo del acelerador cada vez más, "dice Jalas." La IA tarda aproximadamente una hora en encontrar un punto de funcionamiento óptimo estable para el acelerador; en comparación, estimamos que los seres humanos necesitarían más de una semana ".

Una ventaja adicional es que todos los parámetros y variables medidas continúan entrenando el modelo de IA del acelerador, hacer que el proceso de optimización sea más rápido, más sistemático y más específico. "El último progreso en LUX significa que estamos en el buen camino para probar las aplicaciones iniciales con fines de prueba, "explica Andreas Maier, quien está a cargo del desarrollo de láseres para aceleradores de plasma en DESY. "Por último, también queremos utilizar grupos de electrones acelerados por plasma para operar un láser de electrones libres ".