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» » » Récord mundial de acelerador de partículas con la técnica de láser-plasma

Referencia: Science Daily.com, 8 de diciembre 2014
“World record for compact particle accelerator: 
Researchers ramp up energy of laser-plasma 'tabletop' accelerator”

Utilizando uno de los láseres más potentes del mundo, los investigadores han acelerado las partículas subatómicas a las energías más altas jamás registradas con un acelerador compacto. El equipo del Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) del Departamento de Estados Unidos, utilizó un láser de petavatios especializado y un gas de partículas cargadas llamado plasma, para obtener la aceleración de las partículas. Esta 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, desde kilómetros de largo a máquinas que pueden colocarse en una mesa.

Los investigadores aceleraron las partículas, electrones en este caso, en el interior de un largo tubo de plasma de nueve centímetros. La velocidad se correspondía con una energía de 4,25 voltios giga-electrón. La aceleración en una distancia tan corta, corresponde a un gradiente de energía 1.000 veces mayor que los aceleradores de partículas tradicionales, marcando un récord mundial de energía en aceleradores láser-plasma.

"Este resultado requiere de un control exquisito del láser y del plasma", apunta el Dr. Wim Leemans, director de Accelerator Technology and Applied Physics Division at Berkeley Lab y autor principal del artículo. Los resultados aparecen en la edición más reciente de la revista Physical Review Letters.

Aceleradores de partículas tradicionales, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, con sus 27 kilómetros de circunferencia, aceleran las partículas mediante la modulación de los campos eléctricos en el interior de una cavidad metálica. Es una técnica que tiene un límite de unos 100 mega-electrón voltios por metro, antes de que el metal se venga abajo.

Los aceleradores de láser-plasma tienen un enfoque completamente diferente. En el caso de este experimento, se inyecta un pulso de luz láser en un tubo corto y delgado similar a una pajilla que contiene plasma. El láser crea un canal a través del plasma, algo así como ondas que atrapan los electrones libres y los acelera hacia altas energías. Es similar a la forma en que gana velocidad un surfista cuando se desliza por la cara de una ola.

El récord se ha logrado con la ayuda de BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator), uno de los láseres más potentes del mundo. BELLA, que produce mil billones de vatios de potencia (un petavatio), comenzó su actividad el año pasado.

"Es un logro extraordinario para el Dr. Leemans y su equipo producir este resultado récord en su primera campaña operativa con BELLA", añade el Dr. James Symons, director asociado del laboratorio de Ciencias Físicas en el Laboratorio de Berkeley.

Además de empaquetar un impulso de gran potencia, BELLA es conocido por su precisión y control. "Estamos obligando a este rayo láser a pasar por un agujero de 500 micras a una distancia de 14 metros", explica Leemans. "Este rayo láser nos permite utilizarlo con una puntería de una estabilidad suficientemente alta". Por otra parte, añade, el pulso de láser, que dispara una vez cada segundo, se mantiene estable dentro de una fracción de un uno por ciento. "Con la mayoría de rayos láseres, esto no podría ocurrir."

Con unas energías tan altas, los investigadores tenían que ver cómo diversos parámetros afectarían el resultado. Así que, se utilizan simulaciones por ordenador en el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), para probar la configuración antes de encender el láser. "Los pequeños cambios en la configuración dan lugar a grandes perturbaciones", señala Eric Esarey, asesor científico senior del Accelerator Technology and Applied Physics Division at Berkeley Lab, que lidera el esfuerzo teórico. "Estamos volviendo sobre unas regiones de operación y hacia la mejor forma de controlar el acelerador."

A fin de acelerar los electrones a energías aún mayores, el objetivo a corto plazo de Leemans es de 10 giga-electrón voltios, los investigadores necesitarán poder controlar con mayor exactitud la densidad del canal de plasma por el que fluye la luz láser. Básicamente, los investigadores necesitan crear un túnel para el pulso de luz que tenga la forma correcta de manejar los electrones más energéticos. Leemans dice que en trabajos futuros demostrará una nueva técnica para la formación de una canal de plasma.


- Fuente: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory.
- Imagen: Con 9 cm. de longitud, la guía de ondas de descarga capilar se usa en los experimentos BELLA para generar haces de electrones múlti-GeV. La pluma de plasma se hace más prominente con el uso de la fotografía HDR. Crédito: Roy Kaltschmidt.
- Publicación: W. P. Leemans, A. J. Gonsalves, H.-S. Mao, K. Nakamura, C. Benedetti, C. B. Schroeder, Cs. Tóth, J. Daniels, D. E. Mittelberger, S. S. Bulanov, J.-L. Vay, C. G. R. Geddes, and E. Esarey. Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser Pulses in the Self-Trapping Regime. Physical Review Letters, 2014; 113: 245002 DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.245002 .
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