Los aceleradores de partículas tienen un gran potencial para aplicaciones de semiconductores, imágenes y terapias médicas, e investigación en materiales, energía y medicina. Pero los aceleradores convencionales requieren mucho espacio (kilómetros), lo que los hace costosos y limita su presencia a un puñado de laboratorios y universidades nacionales.
Investigadores de la Universidad de Texas en Austin, varios laboratorios nacionales, universidades europeas y la empresa TAU Systems Inc., con sede en Texas, han demostrado un acelerador de partículas compacto de menos de 20 metros de largo que produce un haz de electrones con una energía de 10 mil millones de electronvoltios ( 10 GeV). Sólo hay otros dos aceleradores funcionando actualmente en los EE. UU. que pueden alcanzar energías electrónicas tan altas, pero ambos tienen aproximadamente 3 kilómetros de largo.
"Ahora podemos alcanzar esas energías en 10 centímetros", dijo Bjorn "Manuel" Hegelich, profesor asociado de física en UT y director ejecutivo de TAU Systems, refiriéndose al tamaño de la cámara donde se produjo el haz. Es el autor principal de un artículo reciente que describe su logro en la revista Matter and Radiation at Extremes. .
Hegelich y su equipo están explorando actualmente el uso de su acelerador, llamado acelerador láser avanzado de wakefield, para diversos propósitos. Esperan usarlo para probar qué tan bien la electrónica espacial puede resistir la radiación, para obtener imágenes de las estructuras internas en 3D de nuevos diseños de chips semiconductores e incluso para desarrollar nuevas terapias contra el cáncer y técnicas avanzadas de imágenes médicas.
Este tipo de acelerador también podría usarse para impulsar otro dispositivo llamado láser de electrones libres de rayos X, que podría tomar películas en cámara lenta de procesos a escala atómica o molecular. Ejemplos de tales procesos incluyen interacciones de medicamentos con las células, cambios dentro de las baterías que podrían provocar que se incendien, reacciones químicas dentro de los paneles solares y proteínas virales que cambian de forma al infectar las células.
El concepto de aceleradores láser Wakefield se describió por primera vez en 1979. Un láser extremadamente potente impacta gas helio, lo calienta hasta convertirlo en plasma y crea ondas que expulsan electrones del gas en un haz de electrones de alta energía.
Durante las últimas dos décadas, varios grupos de investigación han desarrollado versiones más potentes. El avance clave de Hegelich y su equipo se basa en las nanopartículas. Un láser auxiliar golpea una placa de metal dentro de la celda de gas, que inyecta una corriente de nanopartículas metálicas que aumentan la energía entregada a los electrones por las ondas.
El láser es como un barco que navega a través de un lago, dejando una estela, y los electrones viajan en esta onda de plasma como los surfistas.
"Es difícil meterse en una ola grande sin ser dominado, por lo que los surfistas son arrastrados por las motos acuáticas", dijo Hegelich. "En nuestro acelerador, el equivalente a las motos de agua son nanopartículas que liberan electrones en el punto justo y en el momento justo, por lo que todos están allí en la onda. Introducimos muchos más electrones en la onda cuando y donde queremos que estén distribuidos estadísticamente en toda la interacción, y ese es nuestro ingrediente secreto".
Para este experimento, los investigadores utilizaron uno de los láseres pulsados más potentes del mundo, el Texas Petawatt Laser, que se encuentra en la UT y dispara un pulso de luz ultraintenso cada hora.
Un solo pulso láser de petavatios contiene aproximadamente 1.000 veces la energía eléctrica instalada en los EE. UU., pero dura sólo 150 femtosegundos, menos de una milmillonésima parte de la duración de la descarga de un rayo.
El objetivo a largo plazo del equipo es impulsar su sistema con un láser que están desarrollando actualmente que cabe en una mesa y puede disparar miles de veces por segundo, haciendo que todo el acelerador sea mucho más compacto y utilizable en entornos mucho más amplios que los convencionales. aceleradores.
Los coautores del estudio son Constantin Aniculaesei, autor correspondiente ahora en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, Alemania; y Thanh Ha, estudiante de doctorado en UT e investigador de TAU Systems. Otros miembros del cuerpo docente de UT son los profesores Todd Ditmire y Michael Downer.
Hegelich y Aniculaesei han presentado una solicitud de patente que describe el dispositivo y el método para generar nanopartículas en una celda de gas. TAU Systems, surgido del laboratorio de Hegelich, posee una licencia exclusiva de la Universidad para esta patente fundamental.
Más información: Constantin Aniculaesei et al, La aceleración de un grupo de electrones de alta carga a 10 GeV en un acelerador de campo de estela asistido por nanopartículas de 10 cm, Materia y radiación en extremos (2023). DOI:10.1063/5.0161687
Proporcionado por la Universidad de Texas en Austin
