A veinticinco pies bajo tierra, el científico del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, Spencer Gessner, abre una gran canasta de picnic de metal. Esta no es la típica canasta de picnic llena de queso, pan y fruta:contiene tornillos, pernos, tubos de acero y muchas otras partes y piezas que transportan partículas casi a la velocidad de la luz. Los componentes están dispuestos precisamente para realizar un trabajo importante:ayudar a alimentar grupos de electrones que se mueven rápidamente en la sustancia de la que está hecho el sol:plasma.
"Estamos intentando construir aquí la próxima generación de pequeños y potentes aceleradores de partículas", dice Gessner. "El objetivo es impulsar partículas a energías más altas en distancias más cortas. Esto podría ayudar a diseñar aceleradores compactos que quepan dentro de un laboratorio universitario u hospital, o ser una opción para un colisionador de partículas de alta energía en el futuro".
Gessner y muchos otros investigadores de SLAC y de todo el mundo quieren fabricar futuros aceleradores entre 100 y 1.000 veces más pequeños que los aceleradores tradicionales. El objetivo no es necesariamente reemplazar las instalaciones de aceleradores más poderosas del mundo, sino más bien brindar una nueva opción para personas y lugares que buscan acceso a la ciencia de los aceleradores y potencialmente mejorar los aceleradores de última generación existentes. Por ejemplo, láseres de electrones libres de rayos X (XFEL, por sus siglas en inglés) más pequeños y menos potentes podrían ser una herramienta científica avanzada para explorar la materia a escalas atómicas en manos de muchos más científicos.
Gessner trabaja en el Centro de Pruebas Experimentales Avanzadas de Aceleradores II (FACET-II) de SLAC, que se centra principalmente en una técnica llamada aceleración de campo de estela de plasma. En la aceleración del campo de estela de plasma, los investigadores envían rayos de partículas a través del plasma, un gas ionizado extremadamente caliente que a menudo está compuesto de iones de helio o hidrógeno, como el sol.
"Cuando el rayo atraviesa el plasma, se crea una estela, similar a la estela que se crea detrás de un barco que navega a toda velocidad por el agua de un lago", dijo Gessner. "Luego podemos inyectar electrones en la estela de plasma y estas partículas viajan sobre la onda, alcanzando energías más altas en distancias más cortas".
FACET-II utiliza parte del acelerador lineal de dos millas de largo de SLAC para generar estos haces de electrones. En su punto máximo, los rayos son tan intensos que ningún material puede resistirlos. Los campos extremos del haz arrancarían electrones de los átomos y vaporizarían instantáneamente cualquier material en el camino del haz. La solución es empezar con un plasma en primer lugar, que elimina las limitaciones de los materiales convencionales y permite una aceleración muy alta.
Pero empujar partículas a energías extremadamente altas en distancias más cortas plantea muchos problemas desafiantes. Los investigadores continúan avanzando para resolver estos problemas y convertir en realidad lo que podría parecer ciencia ficción.
El trabajo experimental de aceleración del campo de wakefield de plasma comenzó en SLAC hace unos veinte años, aunque se había hablado del concepto general en artículos desde finales de los años 1970 y principios de los 1980. Hay tres tipos principales de investigación sobre el campo de estela de plasma que se llevan a cabo en todo el mundo, agrupados según la fuente de energía que crea la estela:un haz de electrones, un haz láser de alta potencia o un haz de protones.
Una de las primeras preguntas que los investigadores tuvieron que responder fue si era posible hacer realidad la idea teórica de los campos de estela de plasma en el laboratorio, dijo el director de FACET-II, Mark Hogan. Los investigadores pudieron realizar esta tarea en SLAC a finales de la década de 1990 y fueron los primeros en romper la barrera del GeV, que es el nivel de energía que normalmente sólo se asocia con instalaciones de muy gran escala. Tomaron un puñado de electrones y los aceleraron a energías muy altas utilizando campos de estela de plasma.
Hogan dijo que los investigadores se enfrentaron entonces a la siguiente gran pregunta:cómo pasar de un puñado de partículas con una amplia gama de energía a un haz de partículas con una dispersión de energía relativamente baja. Esto significa garantizar que los electrones no estén dispersos por todas partes en un acelerador, sino que viajen juntos en un paquete compacto. Los investigadores lograron esta tarea en la década de 2010 en FACET, la instalación que precedió a FACET-II, dijo Hogan.
"Así que ahora la pregunta para FACET-II es si se pueden hacer todas estas cosas a la vez (aprovechar los grandes campos para producir haces de alta energía con baja dispersión de energía) y también producir un haz de alta calidad en distancias más largas", dijo Hogan. . "Esta es una pregunta clave que estamos investigando ahora mismo en FACET-II:¿Podemos preservar la calidad de los haces de electrones mientras aumentamos su energía muy rápidamente a distancias significativas?"
Mirando aún más hacia el futuro, los científicos necesitarán descubrir cómo unir muchas secciones del acelerador de plasma para lograr las energías increíblemente altas necesarias para la futura física de partículas del colisionador. "Mientras que para construir un XFEL que se basa en la aceleración del campo de estela de plasma, es posible que solo necesites una etapa de plasma, para alcanzar la energía del nivel del colisionador de partículas, necesitas muchas etapas", dijo Hogan.
A principios de este año, un equipo de SLAC, la Universidad de Strathclyde y otras instituciones dieron un gran paso adelante en la investigación de la aceleración del campo de wakefield del plasma. Desarrollaron una simulación por computadora que mostró cómo un acelerador de plasma puede generar haces de electrones precisos y de alta calidad controlando el brillo del haz.
Gestionar el brillo del haz es un desafío porque hay tres valores de parámetros clave que cambian sustancialmente a lo largo del camino que siguen las partículas. El modelo del equipo mostró cómo optimizar estos parámetros desde el inicio del experimento, cuando el haz todavía está en el plasma.
Específicamente, el equipo de investigación calculó cómo gestionar el brillo de los electrones controlando la corriente del haz, que describe cuántos electrones componen el haz; emitancia, que es la forma en que los electrones se propagan a medida que se propagan por el espacio; y dispersión de energía, que describe el rango de velocidades de los electrones. Publicaron sus resultados en Nature Communications .
"Con este modelo, podemos probar cómo mejorar la emitancia y el brillo del haz de electrones en nuestro diseño compacto, quizás en órdenes de magnitud", dijo Hogan, coautor del artículo. "Extraer haces de electrones de aceleradores de plasma preservando al mismo tiempo su calidad es crucial para nuestra misión de física de alta energía, así como para la ciencia de rayos X."
En el futuro, los investigadores intentarán construir configuraciones híbridas de un XFEL compacto, una versión que podría permitir la interacción entre múltiples pulsos de láser de rayos X y haces ultrabrillantes. FACET-II podría ser el lugar para probar estas ideas híbridas, ahora que se ha establecido el marco de simulación de principio a fin, dijeron los investigadores.
Otro paso adelante en la investigación de la aceleración del campo de estela de plasma se produjo recientemente cuando los investigadores mostraron cómo unir etapas de acelerador de plasma para hacer un acelerador más largo y potente. Este tipo de acelerador podría utilizarse en el futuro para crear haces de energía extremadamente alta en un colisionador de partículas.
El equipo de investigación, que incluía al científico de SLAC Alexander Knetsch e investigadores del Instituto Politécnico de París y otras instituciones, mostró cómo utilizar múltiples haces impulsores para mantener la calidad del haz y aumentar la energía.
En su método, un rayo conductor abre el camino a través del plasma, creando una estela:la idea estándar en la aceleración del campo de estela de plasma. Detrás de este haz impulsor sigue el haz de electrones primario, llamado haz de seguimiento, que será empujado a altas energías para los experimentos; nuevamente, el enfoque estándar. Pero con el tiempo, el haz de luz pierde energía, como un ciclista que va delante pierde energía después de luchar contra el viento por los ciclistas que van detrás. Por lo tanto, el equipo de investigación mostró cómo sustituir la vieja y desgastada viga motriz por una nueva y nueva viga motriz. Esta técnica ayuda a que el haz de electrones que se arrastra siga ganando energía.
Sin embargo, cambiar la vieja viga motriz por una nueva es más difícil que cambiar a un ciclista líder en una carrera ciclista. El antiguo rayo conductor todavía se mueve casi a la velocidad de la luz, por lo que, para realizar el cambio, el método utiliza imanes dipolares que forman una chicane, es decir, dos caminos, uno más largo que el otro, que se encuentran después de separarse. Las chicanes permiten que la viga conductora se aparte del camino mientras que la viga trasera continúa con una nueva viga conductora.
Además, los investigadores mostraron cómo transportar ese paquete de haces a través de cada etapa de plasma utilizando lentes de enfoque que ayudan al haz de seguimiento a mantenerse en su trayectoria mientras se realizan los intercambios del haz de conducción. Los investigadores publicaron un artículo que describe la idea en septiembre en Physical Review Letters. .
Además de la aceleración del campo de estela del plasma, los investigadores tienen otras ideas sobre formas de acelerar partículas en distancias más cortas. Una de estas ideas se construirá en la Universidad Estatal de Arizona (ASU) con la colaboración de Emilio Nanni de SLAC y otros. El diseño utiliza láseres, en lugar de solo imanes, para mover electrones dentro de un XFEL y producir los potentes rayos X necesarios para los experimentos.
En los XFEL tradicionales, fuertes imanes mueven un haz de partículas para generar rayos X. La línea de imanes puede ser larga, lo que significa que la longitud total del FEL será larga. Pero ¿qué pasaría si un FEL no necesitara una línea completa de imanes para hacer que las partículas bailaran y emitieran radiación de rayos X? Esta es la pregunta que ayudó a diseñar el XFEL compacto, que utiliza un rayo láser para incidir en el haz de partículas, ayudando a que el haz se mueva y produzca potentes rayos X. Los láseres significan que es posible que se necesiten menos imanes móviles, lo que resulta en un FEL general más corto si la idea funciona en la práctica.
El compacto XFEL se construirá dentro de los próximos cinco años en el campus de ASU Tempe. Según los investigadores, construir aceleradores pequeños y más compactos es algo bueno para la ciencia. Hacerlo significa que más personas y lugares podrán acceder a los aceleradores de partículas, que han sido una de las herramientas más importantes de la ciencia durante los últimos 100 años.
De vuelta al interior del túnel del acelerador, Spencer Gessner cierra la tapa de la cesta de picnic y camina hacia una mesa larga. Aquí, el colega científico de SLAC, Doug Storey, está de pie y trabaja en una computadora portátil, revisando los datos de rendimiento del haz. La tabla se llama tabla de volcado del haz y es el principal área de diagnóstico post-plasma para medir lo que le ha sucedido al haz de electrones después de la aceleración del campo de estela del plasma, dijo Storey.
"Esta mesa es donde la cuestión se pone en marcha, por así decirlo", dijo. "Tiene varias cámaras de diagnóstico que miden los parámetros clave necesarios para demostrar con éxito la aceleración del campo de estela de plasma".
Las cámaras sobre la mesa parecen señales de alto en una intersección. Están montados en varillas y miran en diferentes direcciones, cada uno de los cuales recopila diferentes tipos de datos sobre la energía del haz acelerado dentro de una pequeña fracción de un porcentaje y el tamaño del punto del haz hasta menos de unos pocos micrómetros, que son indicadores clave del brillo del haz. , dijo Storey. Además, algunas de las cámaras ven los rayos X y gamma que se producen cuando el haz viaja a través del plasma. Esta información ayuda a los científicos a comprender cómo mejorar la calidad de la aceleración del plasma, afirmó Storey.
Storey vuelve a mirar su computadora portátil y comienza a trabajar nuevamente. Gessner pasa junto a él, de regreso al comienzo de las instalaciones. Él lidera el camino para salir del acelerador, donde se está horneando la próxima generación de aceleradores más pequeños y potentes.
Información de la revista: Cartas de revisión física , Comunicaciones de la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
