Los aceleradores de partículas convencionales suelen ser máquinas grandes que ocupan mucho espacio. Incluso con energías más modestas, como la utilizada para la terapia contra el cáncer y las imágenes médicas, los aceleradores necesitan habitaciones grandes para acomodar el hardware, las fuentes de alimentación y el blindaje contra la radiación necesarios.
Un nuevo descubrimiento realizado por físicos de la Universidad de Maryland podría ser la clave para la construcción de aceleradores de partículas de bajo costo, ampliamente útiles y portátiles en un futuro muy cercano. El equipo ha acelerado los haces de electrones a casi la velocidad de la luz usando registros-bajas energías láser, aliviando así un importante cuello de botella de ingeniería en el desarrollo de aceleradores de partículas compactas. El trabajo aparece en la edición del 6 de noviembre de 2015 de la revista Cartas de revisión física .
"Hemos acelerado los haces de electrones de alta carga a más de 10 millones de voltios de electrones utilizando solo milijulios de energía de pulso láser. Esta es la energía consumida por una bombilla doméstica típica en una milésima de segundo", dijo Howard Milchberg, profesorde Física e Ingeniería Eléctrica e Informática en la UMD y autor principal del estudio. "Debido a que el requerimiento de energía del láser es tan bajo, nuestro resultado abre el camino para los aceleradores de partículas impulsados por láser que se pueden mover en un carro".
"Como una ventaja inesperada, el acelerador genera un destello intenso de luz óptica tan corto que creemos que representa solo la mitad de un ciclo de longitud de onda", agregó Milchberg. Estos destellos de luz ultracortos podrían conducir al desarrollo de luces estroboscópicas ópticasque puede capturar el movimiento de los electrones a medida que pululan por sus órbitas atómicas, un desarrollo potencialmente importante para la ciencia de los materiales y la nanotecnología.
El equipo de UMD comenzó con una técnica conocida como aceleración del campo de activación de plasma impulsada por láser y la llevó al extremo. En términos generales, el enfoque funciona disparando un pulso láser al plasma, que es un gas en este caso, hidrógeno quese ha ionizado por completo para eliminar todos los electrones de los átomos de gas. Un pulso láser intenso puede crear una estela de plasma que sigue al láser, al igual que la estela de agua que sigue a una lancha rápida. Un grupo de electrones después del pulso láser inicial puede "surfear""Las olas de esta estela, acelerando a casi la velocidad de la luz en millonésimas de metro".
"A menos que su pulso láser pueda inducir la activación del plasma en primer lugar, y se necesita un pulso muy intenso para hacerlo, no tiene suerte", explicó Milchberg. Los esfuerzos previos necesitaban energías láser mucho mayores para lograrloeste efecto. Entonces Milchberg y su equipo probaron un enfoque diferente, en lugar de forzar al plasma a transformar un pulso láser débil en uno muy intenso.
Cuando un pulso láser pasa a través del plasma, el láser hace que los electrones se muevan hacia adelante y hacia atrás en el campo láser. Los electrones en el centro experimentan la parte más intensa del haz, por lo que se mueven más rápido. A medida que se vuelvenmás masivo, como lo dicta la ley de la relatividad de Einstein, que dice que los objetos más rápidos deben aumentar en masa. El resultado es que el centro del haz, donde los electrones se vuelven más pesados, se ralentiza en comparación con las partes externas del haz.Esto hace que el haz se enfoque a sí mismo, ganando intensidad a medida que se colapsa, y finalmente genera una fuerte estela de plasma. Este efecto se conoce como autoenfoque relativista y se vuelve más pronunciado a medida que aumenta la densidad del plasma.
El equipo de UMD aprovechó este efecto de autoenfoque, aumentando drásticamente la densidad del plasma hasta 20 veces más que la utilizada en experimentos típicos. En el proceso, redujeron drásticamente la energía del pulso láser necesaria para iniciar el auto-relativismo.enfocando y generando así una fuerte estela de plasma.
"Si aumenta la densidad plasmática lo suficiente, incluso un chirrido de pulso láser puede generar fuertes efectos relativistas", agregó Milchberg.
"Desde un punto de vista práctico, la diferencia clave aquí es la huella del acelerador. Lo que una vez requirió una sala llena de equipos y un láser muy potente podría eventualmente hacerse con una máquina pequeña en un carro móvil, con una pared estándar-", dijo Andrew Goers, un estudiante graduado de Física en la UMD y autor principal del estudio." Comenzamos con un láser muy potente y descubrimos que podíamos seguir recuperando la energía. Finalmente, llegamos a alrededor del 1 por ciento.de la energía máxima del láser, pero aún estábamos viendo un efecto. Esto nos dejó impresionados ".
El acelerador accionado por láser UMD produce un haz de electrones y radiación, incluidos los rayos gamma, que se pueden usar para obtener imágenes médicas seguras y otras aplicaciones sin la necesidad de niveles significativos de protección contra la radiación fuera del camino del haz. El efecto secundario del brillo, destellos de luz extremadamente breves son el resultado de las aceleraciones iniciales de electrones dentro de la estela de plasma, ya que se aceleran desde el reposo hasta casi la velocidad de la luz en menos de una millonésima parte de un metro.
"Una aceleración tan violenta significa que irradian como locos", dijo Goers. "Hasta un 3 por ciento de la radiación láser inicial se emite en el flash en una millonésima de billonésima de segundo".
En términos de pura aceleración, los aceleradores de partículas accionados por láser tienen un largo camino por recorrer antes de que estén listos para aplicaciones en física de alta energía, donde las instalaciones como Fermilab y CERN dominan. Pero para aplicaciones más inmediatas, como ultra-imagen médica y científica rápida, las principales barreras para la aceleración impulsada por láser son el costo, la complejidad y la portabilidad.
"Es posible que hayamos encontrado una solución para superar estas tres barreras", dijo Milchberg.
Esta investigación fue apoyada por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de EE. UU., El Departamento de Energía de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. El contenido de este artículo no refleja necesariamente los puntos de vista de estas organizaciones.
El trabajo de investigación, "Aceleración de electrones Multi-MeV por pulsos láser de sub teravatios", Andrew Goers, George Hine, Linus Feder, Bo Miao, Fatholah Salehi, Jared Wahlstrand y Howard Milchberg, se publicó en línea el 6 de noviembre de 2015 en eldiario Cartas de revisión física .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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