Los científicos que aprovechan el control preciso de los láseres ultrarrápidos han acelerado electrones en un tramo de 20 centímetros a velocidades generalmente reservadas para aceleradores de partículas del tamaño de 10 campos de fútbol.

Un equipo de la Universidad de Maryland (UMD) encabezado por el profesor de Física e Ingeniería Eléctrica e Informática Howard Milchberg, en colaboración con el equipo de Jorge J. Rocca de la Universidad Estatal de Colorado (CSU), logró esta hazaña utilizando dos pulsos láser enviados a través de un chorro de hidrógeno gaseoso. El primer pulso desgarró el hidrógeno, abriéndole un agujero y creando un canal de plasma. Ese canal guió un segundo pulso de mayor potencia que extrajo electrones del plasma y los arrastró a su paso, acelerándolos a casi la velocidad de la luz en el proceso.

Con esta técnica, el equipo aceleró electrones a casi el 40% de la energía alcanzada en instalaciones masivas como la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de un kilómetro de largo, el acelerador del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. El artículo fue aceptado en la revista Physical Review X el 1 de agosto de 2022.

"Este es el primer acelerador de electrones multi-GeV alimentado completamente por láser", dice Milchberg, quien también está afiliado al Instituto de Investigación Electrónica y Física Aplicada de la UMD. "Y con los láseres cada vez más baratos y eficientes, esperamos que nuestra técnica se convierta en el camino a seguir para los investigadores en este campo".

Lo que motiva el nuevo trabajo son aceleradores como LCLS, una pista de un kilómetro de largo que acelera electrones a 13.600 millones de electronvoltios (GeV), la energía de un electrón que se mueve al 99,99999993% de la velocidad de la luz. El predecesor de LCLS está detrás de tres descubrimientos ganadores del premio Nobel sobre partículas fundamentales. Ahora, un tercio del acelerador original se ha convertido al LCLS, utilizando sus electrones súper rápidos para generar los rayos láser de rayos X más potentes del mundo. Los científicos usan estos rayos X para observar el interior de los átomos y las moléculas en acción, creando videos de reacciones químicas. Estos videos son herramientas vitales para el descubrimiento de fármacos, el almacenamiento optimizado de energía, la innovación en electrónica y mucho más.

Acelerar electrones a energías de decenas de GeV no es tarea fácil. El acelerador lineal de SLAC les da a los electrones el impulso que necesitan usando poderosos campos eléctricos que se propagan en una serie muy larga de tubos de metal segmentados. Si los campos eléctricos fueran más potentes, desencadenarían una tormenta eléctrica dentro de los tubos y los dañarían gravemente. Al no poder empujar los electrones con más fuerza, los investigadores han optado por simplemente empujarlos durante más tiempo, proporcionando más pista para que las partículas se aceleren. De ahí la franja de un kilómetro de largo que atraviesa el norte de California. Para llevar esta tecnología a una escala más manejable, los equipos de la UMD y la CSU trabajaron para impulsar los electrones a casi la velocidad de la luz utilizando, de forma bastante adecuada, la propia luz.

"El objetivo en última instancia es reducir los aceleradores de electrones de escala GeV a una habitación de tamaño modesto", dice Jaron Shrock, estudiante graduado en física en la UMD y coautor del trabajo. "Estás tomando dispositivos de escala de kilómetro y tienes otro factor de 1000 de campo de aceleración más fuerte. Por lo tanto, estás tomando escala de kilómetro a escala de metro, ese es el objetivo de esta tecnología".

La creación de esos campos de aceleración más fuertes en un laboratorio emplea un proceso llamado aceleración de campo de estela láser, en el que un pulso de luz láser intensa y bien enfocada se envía a través de un plasma, creando una perturbación y arrastrando electrones a su paso.

"Puedes imaginar el pulso láser como un bote", dice Bo Miao, becario postdoctoral en física en la Universidad de Maryland y coautor del trabajo. "A medida que el pulso láser viaja en el plasma, debido a que es tan intenso, empuja a los electrones fuera de su camino, como el agua apartada por la proa de un barco. Esos electrones giran alrededor del barco y se juntan justo detrás de él, viajando en la estela del pulso."

La aceleración del campo de estela láser se propuso por primera vez en 1979 y se demostró en 1995. Pero la distancia a la que podía acelerar los electrones permaneció obstinadamente limitada a un par de centímetros. Lo que permitió al equipo de UMD y CSU aprovechar la aceleración de wakefield con más eficacia que nunca fue una técnica en la que el equipo de UMD fue pionero para domar el haz de alta energía y evitar que se dispersara demasiado. Su técnica perfora un agujero a través del plasma, creando una guía de ondas que mantiene enfocada la energía del haz.

"Una guía de ondas permite que un pulso se propague a una distancia mucho mayor", explica Shrock. "Necesitamos usar plasma porque estos pulsos tienen una energía tan alta, son tan brillantes que destruirían un cable de fibra óptica tradicional. El plasma no se puede destruir porque, en cierto sentido, ya lo está".

Su técnica crea algo parecido a los cables de fibra óptica, las cosas que transportan el servicio de Internet de fibra óptica y otras señales de telecomunicaciones, de la nada. O, más precisamente, a partir de chorros de gas hidrógeno cuidadosamente esculpidos.

Una guía de ondas de fibra óptica convencional consta de dos componentes:un "núcleo" central que guía la luz y un "revestimiento" circundante que evita que la luz se escape. Para hacer su guía de ondas de plasma, el equipo usa un rayo láser adicional y un chorro de gas de hidrógeno. A medida que este láser "guía" adicional viaja a través del chorro, arranca los electrones de los átomos de hidrógeno y crea un canal de plasma. El plasma está caliente y rápidamente comienza a expandirse, creando un "núcleo" de plasma de menor densidad y un gas de mayor densidad en su borde, como una capa cilíndrica. Luego, el rayo láser principal (el que recogerá los electrones a su paso) se envía a través de este canal. El borde frontal de este pulso también convierte la capa de mayor densidad en plasma, creando el "revestimiento".

"Es como si el primer pulso despejara un área", dice Shrock, "y luego el pulso de alta intensidad desciende como un tren con alguien parado al frente tirando las vías a medida que avanza".

Usando la técnica de guía de ondas de plasma generada ópticamente de UMD, combinada con el láser de alta potencia y la experiencia del equipo de CSU, los investigadores pudieron acelerar algunos de sus electrones a la asombrosa cifra de 5 GeV. Esto sigue siendo un factor de 3 menos que el acelerador masivo de SLAC, y no es exactamente el máximo logrado con la aceleración del campo de estela láser (ese honor pertenece a un equipo de Lawrence Berkeley National Labs). Sin embargo, la energía láser utilizada por GeV de aceleración en el nuevo trabajo es un récord, y el equipo dice que su técnica es más versátil:potencialmente puede producir ráfagas de electrones miles de veces por segundo (en lugar de aproximadamente una vez por segundo), haciendo es una técnica prometedora para muchas aplicaciones, desde la física de alta energía hasta la generación de rayos X que pueden tomar videos de moléculas y átomos en acción como en LCLS. Ahora que el equipo ha demostrado el éxito del método, planean refinar la configuración para mejorar el rendimiento y aumentar la aceleración a energías más altas.

"En este momento, los electrones se generan a lo largo de toda la longitud de la guía de ondas, 20 centímetros de largo, lo que hace que su distribución de energía no sea la ideal", dice Miao. "Podemos mejorar el diseño para que podamos controlar dónde se inyectan con precisión, y luego podemos controlar mejor la calidad del haz de electrones acelerado".

Si bien el sueño de LCLS en una mesa aún no es una realidad, los autores dicen que este trabajo muestra un camino a seguir. "Hay mucha ingeniería y ciencia por hacer de vez en cuando", dice Shrock. "Los aceleradores tradicionales producen haces altamente repetibles con todos los electrones que tienen energías similares y viajan en la misma dirección. Todavía estamos aprendiendo cómo mejorar estos atributos de haz en aceleradores de campo de estela láser multi-GeV. También es probable que para alcanzar energías en la escala de decenas de GeV, tendremos que montar múltiples aceleradores de wakefield, pasando los electrones acelerados de una etapa a la siguiente mientras preservamos la calidad del haz. Así que hay un largo camino entre ahora y tener una instalación tipo LCLS que se base en la aceleración de wakefield láser". + Explora más

Las guías de ondas de plasma a escala de un metro empujan la envolvente del acelerador de partículas