Dado que son mucho más compactos que los aceleradores actuales, que puede tener kilómetros de largo, Los aceleradores de plasma se consideran una tecnología prometedora para el futuro. Un grupo de investigación internacional ha logrado un progreso significativo en el desarrollo de este enfoque:con dos experimentos complementarios en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y en Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), el equipo pudo combinar dos tecnologías de plasma diferentes por primera vez y construir un nuevo acelerador híbrido. El concepto podría impulsar el desarrollo del acelerador y, a largo plazo, convertirse en la base de fuentes de rayos X de gran brillo para la investigación y la medicina, como describen los expertos en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

En aceleradores de partículas convencionales, Las ondas de radio fuertes son guiadas hacia tubos de metal de forma especial llamados resonadores. Las partículas que se van a acelerar, que a menudo son electrones, pueden montar estas ondas de radio como los surfistas montan una ola del océano. Pero el potencial de la tecnología es limitado:introducir demasiada potencia de ondas de radio en los resonadores crea un riesgo de cargas eléctricas que pueden dañar el componente. Esto significa que para llevar las partículas a niveles altos de energía, muchos resonadores deben estar conectados en serie, lo que hace que los aceleradores de hoy, en muchos casos, tengan una longitud de kilómetros.

Es por eso que los expertos están trabajando con entusiasmo en una alternativa:la aceleración del plasma. En principio, Los destellos láser cortos y extremadamente poderosos disparan hacia un plasma, un estado ionizado de materia que consta de electrones cargados negativamente y núcleos atómicos cargados positivamente. En este plasma, el pulso láser genera un fuerte campo eléctrico alterno, similar a la estela de un barco, que puede acelerar enormemente los electrones en una distancia muy corta. En teoria, esto significa que las instalaciones se pueden construir mucho más compactas, encogiendo un acelerador que tiene cien metros de largo hoy a solo unos pocos metros. "Esta miniaturización es lo que hace que el concepto sea tan atractivo, "explica Arie Irman, investigador del Instituto de Física de las Radiaciones HZDR. "Y esperamos que permita que incluso los pequeños laboratorios universitarios puedan permitirse un potente acelerador en el futuro".

Pero hay otra variante de la aceleración del plasma en la que el plasma es impulsado por grupos de electrones a la velocidad de la luz en lugar de potentes destellos láser. Este método ofrece dos ventajas sobre la aceleración de plasma impulsada por láser:"En principio, Debería ser posible lograr energías de partículas más altas, y los haces de electrones acelerados deberían ser más fáciles de controlar, "explica el físico y autor principal del HZDR Thomas Kurz." El inconveniente es que, en este momento, confiamos en grandes aceleradores convencionales para producir los grupos de electrones necesarios para impulsar el plasma ". FLASH en DESY en Hamburgo, por ejemplo, donde se llevan a cabo tales experimentos, Mide unos buenos cien metros.

Combinación de alta energía

Aquí es precisamente donde entra en juego el nuevo proyecto. "Nos preguntamos si podríamos construir un acelerador mucho más compacto para impulsar la onda de plasma, "dice Thomas Heinemann de la Universidad de Strathclyde en Escocia, quien también es un autor principal del estudio. "Nuestra idea era reemplazar esta instalación convencional con un acelerador de plasma accionado por láser". Para probar el concepto, el equipo diseñó una configuración experimental sofisticada en la que fuertes destellos de luz de la instalación láser de HZDR DRACO golpean un chorro de gas de helio y nitrógeno, generando un paquete, haz de electrones rápido a través de una onda de plasma. Este haz de electrones pasa a través de una lámina de metal al siguiente segmento, con la lámina reflejada hacia atrás, el láser parpadea.

En este próximo segmento, el haz de electrones entrante encuentra otro gas, esta vez una mezcla de hidrógeno y helio, en el que puede generar una nueva, segunda onda de plasma, Al poner otros electrones en modo turbo en un lapso de unos pocos milímetros, se dispara un haz de partículas de alta energía. "En el proceso, preionizamos el plasma con un adicional, pulso láser más débil, "Esto explica Heinemann. Esto hace que la aceleración del plasma con el rayo conductor sea mucho más efectiva".

Encendido turbo:casi a la velocidad de la luz en solo un milímetro

El resultado:"Nuestro acelerador híbrido mide menos de un centímetro, "Kurz explica." La sección del acelerador impulsado por haz usa solo un milímetro para llevar los electrones a casi la velocidad de la luz ". Las simulaciones realistas del proceso muestran un gradiente notable del voltaje de aceleración en el proceso, correspondiente a un aumento de más de mil veces en comparación con un acelerador convencional. Para subrayar la importancia de sus hallazgos, los investigadores implementaron este concepto de forma similar en el láser ATLAS en LMU en Munich. Sin embargo, los expertos aún tienen muchos desafíos que superar antes de que esta nueva tecnología se pueda utilizar para aplicaciones.

En todo caso, los expertos ya tienen en mente posibles campos de aplicación:"Los grupos de investigación que actualmente no tienen un acelerador de partículas adecuado podrían utilizar y desarrollar más esta tecnología, "Arie Irman espera". Y en segundo lugar, nuestro acelerador híbrido podría ser la base de lo que se llama un láser de electrones libres ". Estos FEL se consideran fuentes de radiación de muy alta calidad, especialmente radiografías, para análisis ultraprecisos de nanomateriales, biomoléculas, o muestras geológicas. Hasta ahora, estos láseres de rayos X requerían aceleradores convencionales largos y costosos. La nueva tecnología de plasma podría hacerlos mucho más compactos y rentables, y quizás también asequibles para un laboratorio universitario normal.