Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han completado una importante expansión de uno de los sistemas láser más potentes del mundo, creando nuevas oportunidades en la investigación de aceleradores para el futuro de la física de alta energía y otros campos. La expansión creó una segunda línea de luz para el láser de petavatio en el Centro del Acelerador Láser del Laboratorio de Berkeley (BELLA), lo que permitió el desarrollo de aceleradores de partículas de próxima generación para aplicaciones en la ciencia, la medicina, la seguridad y la industria. La segunda línea de luz entró en funcionamiento este verano y es la culminación de varios años de planificación, diseño e ingeniería por parte de BELLA y los equipos de ingeniería.

"Estamos felices de ver que la construcción se completó y estamos ansiosos por comenzar la gran variedad de emocionantes experimentos que permite la segunda línea de luz", dijo Eric Esarey, director del Centro BELLA.

Uso de la luz para mover partículas

Los aceleradores tradicionales utilizan campos electromagnéticos de radiofrecuencia para acelerar gradualmente las partículas en distancias de decenas de kilómetros y, como resultado, tienden a ser enormes y muy costosos. Por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el famoso acelerador de partículas internacional, acelera partículas a lo largo de una trayectoria circular de más de 16 millas de largo, un logro monumental que cuesta miles de millones de dólares para construir y operar.

En el Centro BELLA, los científicos aceleran partículas cargadas con campos eléctricos generados por un láser de alta potencia que interactúa con un plasma, creando lo que se conoce como un acelerador de plasma láser (LPA). El equipo utiliza un láser de un petavatio que produce un haz de pulsos muy cortos o "balas" de luz, uno por segundo, cada uno de los cuales es unas cien veces más potente que un rayo típico. Cuando el rayo láser pasa a través del plasma (una sopa de partículas cargadas similar a un gas), establece una onda en movimiento, y una partícula cargada colocada en esa onda es impulsada hacia adelante, como un surfista en una ola del océano. Este enfoque "wakefield" puede producir tasas de aceleración hasta mil veces mayores que los aceleradores convencionales, lo que convierte a los LPA en candidatos prometedores para la próxima generación de aceleradores más pequeños y menos costosos.

Una poderosa herramienta para el desarrollo de tecnología de aceleradores

La segunda línea de luz fue diseñada para ser altamente sintonizable, capaz de producir una amplia gama de tamaños de puntos láser, con duraciones de pulso y energías de pulso que se pueden variar de forma independiente. Las dos líneas de luz están diseñadas para usarse en tándem, lo que convierte al sistema en una herramienta poderosa y versátil para el desarrollo científico y tecnológico de aceleradores. Para crear la nueva línea de luz, el equipo separó una parte del rayo láser principal y lo pasó por una serie de elementos ópticos para generar un segundo rayo de pulsos de luz cortos y potentes que pueden crear un segundo campo de estela.

En particular, el sistema fue diseñado para permitir la visión del equipo de organizar múltiples módulos LPA para alcanzar las altas energías de haz de electrones necesarias para los colisionadores de partículas, utilizando el campo de estela de la segunda línea de luz para acelerar aún más las partículas que salen de la primera. Los experimentos iniciales para lograr este objetivo están actualmente en marcha. En su visión a más largo plazo, el equipo propone apilar módulos alimentados por láser adicionales para crear aceleradores de energías extremadamente altas, lo que permite la próxima generación de descubrimientos físicos a una fracción del costo y tamaño.

Como ejemplo, los métodos para mejorar la eficiencia energética de los LPA también se pueden explorar con las líneas de luz duales. El pulso láser de la segunda línea de luz se puede configurar para absorber cualquier energía sobrante en el plasma de la primera línea de luz que no se utiliza en el proceso de aceleración y luego se envía a un sistema de recuperación de energía. Marlene Turner, científica del Centro BELLA, recibió un prestigioso premio de inicio de carrera del DOE por trabajar en este concepto. "Sin la segunda línea de luz, mi investigación, cuyo objetivo es disminuir el consumo de energía y el impacto ambiental de los futuros colisionadores de plasma, no sería posible", dijo Turner.

Las líneas de luz dobles también se pueden utilizar en otras configuraciones. Por ejemplo, la segunda línea de luz se puede usar para acelerar partículas para dispersar las de la primera línea de luz, lo que permite a los físicos probar la física exótica que surge.

"La precisión que brindan estas dos líneas de luz láser, que combinan la sincronización de femtosegundos y la precisión espacial a escala de micras, no tiene precedentes en los niveles de potencia máxima de la clase de petavatios, y permitirá experimentos sobre la puesta en escena de LPA, así como otros avances en la aceleración de plasma, como la adaptación láser de estructuras de aceleración de plasma, métodos de inyección de partículas basados ​​en láser, producción de fotones de alta energía mediante dispersión láser y estudios fundamentales en electrodinámica cuántica de alto campo", dijo Tony Gonsalves, científico principal del equipo de petavatios de BELLA. "Es un gran problema".

El poder de la ciencia en equipo

Berkeley Lab es conocido como una potencia de la ciencia en equipo, y este nuevo proyecto BELLA ejemplifica este espíritu. En cualquier momento, el equipo central que trabaja en este proyecto incluye de diez a quince ingenieros mecánicos, ingenieros eléctricos y científicos investigadores, así como un elenco rotativo de otros actores clave, incluidos especialistas en seguridad radiológica e ingenieros sísmicos. Esto ha garantizado que la actualización de la línea de haz de dos láseres no solo cree ciencia de vanguardia, sino que se ejecute de una manera segura, bien diseñada y duradera que permitirá una productividad continua durante muchos años.

El equipo enfrentó una buena cantidad de desafíos debido a la pandemia de COVID-19, que cerró temporalmente sus instalaciones. Después de su reapertura, el equipo tuvo que trabajar por turnos, utilizando un sistema de emisión de boletos para mantener una densidad segura de trabajadores. Solo traer un equipo de ingenieros franceses para instalar una cámara de compresor tomó la mayor parte de un año debido a las restricciones relacionadas con la pandemia.

“Ha sido un largo camino para poner esto en marcha, y un camino mucho más largo debido a COVID”, dijo Gonsalves. "Si tuviera que contar cuántas personas han tocado este proyecto, sería un número muy grande. Somos afortunados de tener esta impresionante infraestructura de personas en el laboratorio para hacer posible un proyecto como este".

Física exótica y aplicaciones cotidianas

Los colisionadores de partículas son herramientas de descubrimiento que los científicos usan para probar la estructura de la materia al hacer chocar partículas con suficiente energía para separarlas, lo que nos ayuda a comprender de qué está hecho el universo y las fuerzas que lo mantienen unido. El objetivo final de la nueva línea de luz es desarrollar una nueva tecnología de acelerador que permitirá a los colisionadores alcanzar energías más altas. Estas preguntas van mucho más allá de examinar la materia visible, que en realidad constituye una pequeña fracción del universo. Hay cinco veces más materia oscura invisible en el universo que materia visible, y los aceleradores de mayor energía pueden producir partículas pesadas de materia oscura para poder estudiar sus propiedades.

El campo de la seguridad nacional también está prestando atención a estos desarrollos en la nueva tecnología de aceleradores. Las tecnologías actuales para detectar materiales nucleares en los puertos, para tratados nucleares y otras aplicaciones, tienen una precisión limitada. Sin embargo, la tecnología de aceleración basada en láser podría usarse para producir los rayos gamma sintonizables o los muones de alta energía necesarios para detectar con precisión compuestos nucleares u otros materiales, y la tecnología podría caber en una pequeña unidad portátil.

Los estudios básicos en ciencia de los materiales también se beneficiarían enormemente del desarrollo de fuentes compactas de luz de longitud de onda corta, como los rayos X, impulsadas por LPA. Dado que el LPA produce intrínsecamente grupos de electrones cortos, del orden de femtosegundos, son ideales para sondear materiales en escalas de tiempo ultrarrápidas.

Otra aplicación interesante de la aceleración del láser es la radioterapia contra el cáncer, donde la comunidad médica está descubriendo que dosis más cortas de radiación más fuerte causan menos daño a los tejidos sanos, lo que se conoce como "efecto flash". Estos sistemas láser podrían revolucionar la radioterapia.

"Estoy muy emocionado de ver la amplia variedad de ciencia y aplicaciones que permite la segunda línea de luz BELLA. Estas son transversales y pueden afectar una serie de programas en la Oficina de Ciencias, el Departamento de Defensa, los Institutos Nacionales de Salud, así como en la industria", dijo Cameron Geddes, Director de Tecnología de Aceleradores y División de Física Aplicada de Berkeley Lab. + Explora más

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