Un estudio dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad de California, Los Ángeles, ha demostrado una nueva y eficiente forma de acelerar los positrones, los opuestos antimateria de los electrones. El método puede ayudar a impulsarla energía y reducir el tamaño de los futuros colisionadores de partículas lineales: potentes aceleradores que podrían usarse para desentrañar las propiedades de los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza.
Los científicos habían demostrado previamente que aumentar la energía de las partículas cargadas al hacerlas "surfear" una onda de gas ionizado o plasma, funciona bien para los electrones. Si bien este método por sí solo podría conducir a aceleradores más pequeños, los electrones son solo la mitad delecuación para futuros colisionadores. Ahora los investigadores han alcanzado otro hito al aplicar la técnica a los positrones en la Instalación de SLAC para Pruebas Experimentales de Acelerador Avanzado FACET, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Junto con nuestro logro anterior, el nuevo estudio es un paso muy importante para hacer colisionadores de positrones de electrones de próxima generación más pequeños y menos costosos", dijo Mark Hogan de SLAC, coautor del estudio publicado hoy en Naturaleza . "FACET es el único lugar en el mundo donde podemos acelerar positrones y electrones con este método"
El director de SLAC, Chi-Chang Kao, dijo: "Nuestros investigadores han desempeñado un papel instrumental en el avance del campo de los aceleradores basados en plasma desde la década de 1990. Los resultados recientes son un logro importante para el laboratorio, que continúa tomando ciencia y tecnología de aceleradoresal siguiente nivel "
Reducción de colisionadores de partículas
Los investigadores estudian los componentes fundamentales de la materia y las fuerzas entre ellos al aplastar haces de partículas altamente energéticos entre sí. Las colisiones entre electrones y positrones son especialmente atractivas, porque a diferencia de los protones que colisionaron en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, donde se descubrió el bosón de Higgsen 2012: estas partículas no están hechas de partes constituyentes más pequeñas.
"Estas colisiones son más simples y fáciles de estudiar", dijo Michael Peskin de SLAC, un físico teórico que no participó en el estudio. "Además, las partículas nuevas y exóticas se producirían aproximadamente a la misma velocidad que las partículas conocidas; en el LHCson mil millones de veces más raros "
Sin embargo, la tecnología actual para construir colisionadores de positrones de electrones para los experimentos de la próxima generación requeriría aceleradores que tienen decenas de kilómetros de largo. La aceleración del campo de vigas de plasma es una forma en que los investigadores esperan construir aceleradores más cortos y económicos.
El trabajo anterior mostró que el método funciona de manera eficiente para los electrones: cuando uno de los haces de electrones fuertemente enfocados de FACET ingresa a un gas ionizado, crea una "estela" de plasma que los investigadores usan para acelerar un segundo grupo de electrones.
Creación de una estela de plasma para antimateria
Para los positrones, el otro ingrediente de partículas requerido para los colisionadores de positrones de electrones, la aceleración del campo de estela del plasma es mucho más difícil. De hecho, muchos científicos creían que, sin importar dónde se colocara un grupo de positrones al final, perdería suforma compacta, enfocada o incluso más lenta.
"Nuestro avance clave fue encontrar un nuevo régimen que nos permita acelerar los positrones en los plasmas de manera eficiente", dijo el coautor del estudio Chandrashekhar Joshi de la UCLA.
En lugar de usar dos grupos de partículas separados, uno para crear una estela y el otro para surfearlo, el equipo descubrió que un solo grupo de positrones puede interactuar con el plasma de tal manera que la parte delantera genera una estela queambos acelera y enfoca su extremo posterior, esto ocurre después de que los positrones han viajado unas cuatro pulgadas a través del plasma.
"En este estado estable, alrededor de 1 billón de positrones ganaron 5 billones de electronvoltios de energía en una corta distancia de solo 1.3 metros", dijo el ex investigador del SLAC Sébastien Corde, primer autor del estudio, quien ahora se encuentra en la Ecole Polytechnique en Francia."También lo hicieron de manera muy eficiente y uniforme, lo que resultó en un grupo acelerado con una energía bien definida".
Mirando hacia el futuro
Todas estas propiedades son cualidades importantes para los haces de partículas en los aceleradores. En el siguiente paso, el equipo buscará mejorar aún más su experimento.
"Realizamos simulaciones para comprender cómo se creó el estado estable", dijo el coautor Warren Mori de UCLA. "En base a esta comprensión, ahora podemos usar simulaciones para buscar formas de despertar adecuados y emocionantes en un modo mejorado y más controladocamino. Esto conducirá a ideas para futuros experimentos ".
Aunque los colisionadores de partículas a base de plasma no se construirán en el futuro cercano, el método podría usarse para actualizar los aceleradores existentes mucho antes.
"Es concebible aumentar el rendimiento de los aceleradores lineales agregando un acelerador de plasma muy corto al final", dijo Corde. "Esto multiplicaría la energía del acelerador sin hacer que toda la estructura sea significativamente más larga".
Los contribuyentes adicionales incluyeron investigadores de la Universidad de Oslo en Noruega y la Universidad de Tsinghua en China. La investigación fue apoyada por el DOE, la Fundación Nacional de Ciencias, el Consejo de Investigación de Noruega y el Programa de los Mil Jóvenes Talentos de China.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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