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El acelerador compacto de Berkeley Lab, que utiliza el láser Bella. Imagen: Roy Kaltschmidt. Fuente: Berkeley Lab.
Utilizando uno de los láseres más potentes del mundo, un grupo de investigadores han acelerado partículas subatómicas a las energías más altas jamás registradas en un acelerador compacto.
El equipo, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab, California), del Departamento de Energía de Estados Unidos, utilizó un láser de petavatio especializado y un gas de partículas cargadas llamado plasma para conseguir que las partículas alcanzaran esa alta velocidad.
La configuración se conoce como acelerador de láser-plasma, una clase emergente de aceleradores de partículas que los físicos creen que pueden reducir los aceleradores tradicionales, de kilómetros de largo, a máquinas que puedan caber en una mesa.
Cómo se hizo
Los investigadores aceleraron las partículas -electrones, en este caso- dentro de un tubo de plasma de nueve centímetros de largo. La velocidad correspondía a una energía de 4,25 giga-electrón-voltios.
La aceleración en una distancia tan corta como esa corresponde a un gradiente de energía 1.000 veces mayor que el de los aceleradores de partículas tradicionales y marca un récord mundial de energía en aceleradores láser-plasma.
"Para obtener este resultado hace falta un control exquisito sobre el láser y el plasma", explica Wim Leemans, director de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada del Berkeley Lab y autor principal del artículo, en la información oficial. Los resultados aparecen en la edición más reciente de Physical Review Letters.
Como un surfista cabalgando sobre una ola
Los aceleradores de partículas tradicionales, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, con 27 kilómetros de circunferencia, aceleran partículas mediante la modulación de campos eléctricos en el interior de una cavidad de metal. Es una técnica que tiene un límite de unos 100 mega-electrón-voltios por metro antes de que el metal se fracture.
Los aceleradores láser-plasma tienen un enfoque completamente diferente. En el caso de este experimento, un pulso de luz láser se inyecta en un tubo corto y delgado, similar a una pajilla, que contiene plasma.
El láser crea un canal a través del plasma, así como ondas que atrapan electrones libres y los aceleran a altas energías. Es similar a la forma en que un surfista gana velocidad al cabalgar una ola.
El equipo, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab, California), del Departamento de Energía de Estados Unidos, utilizó un láser de petavatio especializado y un gas de partículas cargadas llamado plasma para conseguir que las partículas alcanzaran esa alta velocidad.
La configuración se conoce como acelerador de láser-plasma, una clase emergente de aceleradores de partículas que los físicos creen que pueden reducir los aceleradores tradicionales, de kilómetros de largo, a máquinas que puedan caber en una mesa.
Cómo se hizo
Los investigadores aceleraron las partículas -electrones, en este caso- dentro de un tubo de plasma de nueve centímetros de largo. La velocidad correspondía a una energía de 4,25 giga-electrón-voltios.
La aceleración en una distancia tan corta como esa corresponde a un gradiente de energía 1.000 veces mayor que el de los aceleradores de partículas tradicionales y marca un récord mundial de energía en aceleradores láser-plasma.
"Para obtener este resultado hace falta un control exquisito sobre el láser y el plasma", explica Wim Leemans, director de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada del Berkeley Lab y autor principal del artículo, en la información oficial. Los resultados aparecen en la edición más reciente de Physical Review Letters.
Como un surfista cabalgando sobre una ola
Los aceleradores de partículas tradicionales, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, con 27 kilómetros de circunferencia, aceleran partículas mediante la modulación de campos eléctricos en el interior de una cavidad de metal. Es una técnica que tiene un límite de unos 100 mega-electrón-voltios por metro antes de que el metal se fracture.
Los aceleradores láser-plasma tienen un enfoque completamente diferente. En el caso de este experimento, un pulso de luz láser se inyecta en un tubo corto y delgado, similar a una pajilla, que contiene plasma.
El láser crea un canal a través del plasma, así como ondas que atrapan electrones libres y los aceleran a altas energías. Es similar a la forma en que un surfista gana velocidad al cabalgar una ola.
Con la ayuda de BELLA
Las energías récord se lograron con la ayuda de BELLA (Berkeley Acelerador Laser Lab), uno de los láseres más potentes del mundo. BELLA, que produce un petavatio de potencia (1.000 billones de vatios) comenzó su actividad el año pasado.
"Es un logro extraordinario para Leemans y su equipo producir este resultado récord en su primera campaña de operaciones con BELLA", señala James Symons, director asociado de Ciencias Físicas para el laboratorio en el Berkeley Lab.
Además de por su gran potencia, BELLA es conocido por su precisión y control. "Estamos haciendo entrar este rayo láser por un agujero de 500 micras a unos 14 metros de distancia", recuerda Leemans.
A energías tan altas, los investigadores tenían que ver cómo varios parámetros afectarían al resultado. Así que utilizaron simulaciones por ordenador en el National Energy Research Scientific Computing Center, también en el Laboratorio, para probar la configuración antes siquiera de encender el láser. "Pequeños cambios en la configuración producen grandes perturbaciones", recalca Eric Esarey, asesor científico en Berkeley Lab, que lidera la investigación teórica.
Con el fin de acelerar los electrones a energías incluso mayores -el objetivo a corto plazo de Leemans es 10 giga-electrón-voltios, más del doble de lo conseguido-, los investigadores tendrán que controlar con mayor precisión la densidad del canal de plasma a través del cual fluye la luz láser.
En esencia, los investigadores deben crear un túnel para el pulso de luz que sea exactamente de la forma correcta para controlar los electrones más energéticos. Leemans afirma que, en futuros trabajos, probarán una nueva técnica para la conformación de canales de plasma.
Las energías récord se lograron con la ayuda de BELLA (Berkeley Acelerador Laser Lab), uno de los láseres más potentes del mundo. BELLA, que produce un petavatio de potencia (1.000 billones de vatios) comenzó su actividad el año pasado.
"Es un logro extraordinario para Leemans y su equipo producir este resultado récord en su primera campaña de operaciones con BELLA", señala James Symons, director asociado de Ciencias Físicas para el laboratorio en el Berkeley Lab.
Además de por su gran potencia, BELLA es conocido por su precisión y control. "Estamos haciendo entrar este rayo láser por un agujero de 500 micras a unos 14 metros de distancia", recuerda Leemans.
A energías tan altas, los investigadores tenían que ver cómo varios parámetros afectarían al resultado. Así que utilizaron simulaciones por ordenador en el National Energy Research Scientific Computing Center, también en el Laboratorio, para probar la configuración antes siquiera de encender el láser. "Pequeños cambios en la configuración producen grandes perturbaciones", recalca Eric Esarey, asesor científico en Berkeley Lab, que lidera la investigación teórica.
Con el fin de acelerar los electrones a energías incluso mayores -el objetivo a corto plazo de Leemans es 10 giga-electrón-voltios, más del doble de lo conseguido-, los investigadores tendrán que controlar con mayor precisión la densidad del canal de plasma a través del cual fluye la luz láser.
En esencia, los investigadores deben crear un túnel para el pulso de luz que sea exactamente de la forma correcta para controlar los electrones más energéticos. Leemans afirma que, en futuros trabajos, probarán una nueva técnica para la conformación de canales de plasma.
Referencia bibliográfica:
W. P. Leemans, A. J. Gonsalves, H.-S. Mao, et al.: Multi-GeV electron beams from capillary-discharge-guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime. Physical Review Letters (2014). DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.245002.
W. P. Leemans, A. J. Gonsalves, H.-S. Mao, et al.: Multi-GeV electron beams from capillary-discharge-guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime. Physical Review Letters (2014). DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.245002.
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