Aceleradores de partículas compactos impulsan electrones hasta casi la velocidad de la luz

Científicos han desarrollado con éxito un acelerador de partículas de bolsillo capaz de proyectar haces de electrones ultracortos con luz láser a más del 99.99% de la velocidad de la luz


Para lograr este resultado, los investigadores han tenido que ralentizar la luz para igualar la velocidad de los electrones utilizando una estructura metálica, especialmente diseñada, forrada con capas de cuarzo más delgadas que un cabello humano.


Este gran salto hacia adelante ofrece simultáneamente la capacidad de medir y manipular haces de partículas en escalas de tiempo de menos de 10 femtosegundos (0.000 000 000 000 01 segundos, o el tiempo que tarda la luz en viajar 1/100 de milímetro). Esto les permitirá crear fotografías estroboscópicas del movimiento de los átomos.


Esta exitosa demostración allana el camino para el desarrollo de aceleradores impulsados por Terahercios (THz) de alta energía, alta carga y alta calidad, que prometen ser más económicos y compactos. Reducir el tamaño y el costo de la tecnología de aceleradores impulsará esta increíble tecnología a una gama mucho más amplia de aplicaciones.


Los aceleradores de partículas están muy extendidos con aplicaciones en investigación básica en física de partículas, caracterización de materiales, radioterapia en hospitales, donde se utilizan para tratar pacientes con cáncer, producción de radioisótopos para imágenes médicas y en seguridad en el transporte de carga. Sin embargo, la tecnología básica (osciladores de radiofrecuencia) que sustenta estas máquinas fue desarrollada para el radar durante la Segunda Guerra Mundial.


En una nueva investigación publicada en Nature Photonics, un equipo colaborativo de académicos muestra que su solución se basa en utilizar láseres para generar pulsos de luz de frecuencia de terahercios. Terahercios es una región del espectro electromagnético entre el infrarrojo (utilizado en los controles remotos de TV) y el microondas (utilizado en los hornos microondas). La radiación THz generada por láser existe en el régimen ideal de longitud de onda de escala milimétrica, lo que simplifica su fabricación, pero lo más importante es que proporciona las longitudes de medio ciclo que son adecuadas para la aceleración de haces de electrones con altos niveles de carga.


"Superamos este problema desarrollando una fuente de THz única que producía pulsos más largos que contenían un rango estrecho de frecuencias, mejorando significativamente la interacción. Nuestro próximo hito es demostrar ganancias de energía aún mayores mientras se mantiene la calidad del haz. Anticipamos que esto se realizará a través de refinamientos para aumentar nuestra fuente de energía de THz, que ya están en marcha". Comenta el Dr. Morgan Hibberd.


El Dr. Morgan Hibberd de la Universidad de Manchester, autor principal del artículo. Agrega: “El principal desafío fue hacer coincidir la velocidad del campo THz acelerado con la velocidad del haz de electrones casi a la velocidad de la luz, al tiempo que evitaba la velocidad inherentemente más baja de la envolvente del pulso que se propaga a través de nuestra estructura de aceleración reduciendo significativamente la longitud sobre la cual interactúan el campo de conducción y los electrones ".


“Superamos este problema desarrollando una fuente de THz única que producía pulsos más largos que contenían solo un rango estrecho de frecuencias, mejorando significativamente la interacción. Nuestro próximo hito es demostrar ganancias de energía aún mayores mientras se mantiene la calidad del haz. Anticipamos que esto se logrará mediante refinamientos para aumentar nuestra fuente de energía de THz, que ya están en marcha ".


El profesor Steven Jamison de la Universidad de Lancaster, que lidera conjuntamente el programa, explicó: “La aceleración controlada de rayos relativistas con pulsos de láser de frecuencia de terahercios es un hito en el desarrollo de un nuevo enfoque para los aceleradores de partículas. Al utilizar frecuencias electromagnéticas cien veces superiores a las de los aceleradores de partículas convencionales, se hace posible un avance revolucionario en el control de los haces de partículas a escalas de tiempo de femtosegundos ”.


“Con nuestra demostración de la aceleración de terahercios de las partículas que viajan al 99.99% de la velocidad de la luz, hemos confirmado una ruta para escalar la aceleración de terahercios a energías altamente relativistas”.


Si bien los investigadores tienen en mente el papel a largo plazo de sus conceptos en la sustitución de los aceleradores de investigación a escala de varios kilómetros (como la fuente de rayos X de 3 km de Europa en Hamburgo) por dispositivos de apenas metros de longitud, esperan que los impactos más inmediatos se produzcan, que son los campos de la radioterapia y en la caracterización de materiales.





Fuente: Universidad de Manchester

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