Investigadores de la Universidad de Texas en Austin, junto con varios colaboradores nacionales e internacionales, han creado un acelerador de partículas compacto de menos de 20 m de longitud, capaz de generar un haz de electrones con una energía de 10 mil millones de electronvoltios (10 GeV). Esta hazaña es notable ya que los aceleradores convencionales requieren kilómetros de espacio y son considerablemente muy caros.
En EE.UU. sólo hay dos aceleradores capaces de producir haces de partículas de 10.000 millones de electronvoltios, y cada uno mide unos 3 km de largo. «Ahora podemos alcanzar esas energías en 10 cm«, afirma el director general de TAU Systems, que ha construido un acelerador ultracompacto.
Bueno, esa es la longitud de la cámara de gas llena de helio donde se produce la aceleración real en el dispositivo que TAU ha probado recientemente. Este acelerador de campo estelar avanzado y compacto también requiere un láser monstruoso para funcionar: en este caso, el Texas Petawatt Laser, que se encuentra en una mesa de 10 m de largo en el Centro de Ciencias de Alta Densidad de Energía de la Universidad de Texas en Austin.
Esta bestia, uno de los láseres más potentes del mundo, dispara ráfagas ultraintensas de luz láser con niveles de energía unas 1.000 veces superiores a toda la capacidad instalada en Estados Unidos, pero sólo una vez por hora y durante 150 femtosegundos, es decir, algo menos de la milmillonésima parte del tiempo que tarda un rayo en descargarse.
En total, el dispositivo de la TAU mide menos de 20 m de largo y dispara rayos a una notable velocidad de 10 GeV. Para ello utiliza una versión modificada de la técnica de aceleración wakefield, descrita por primera vez en 1979 y aplicada actualmente en muchos proyectos de aceleradores.
Un acelerador de partículas normal consiste en una serie de anillos a los que se aplica un voltaje positivo para atraer electrones. Los anillos se encienden secuencialmente, arrastrando electrones a través del túnel cada vez más rápido y apagándose cada uno antes de que el electrón lo alcance.
Sin embargo, un acelerador de campo de estelas accionado por láser convierte más o menos el propio pulso de luz en un electroimán a la velocidad de la luz, haciendo que las partículas lo persigan y adquieran una velocidad y energía extraordinarias en una distancia muy corta.
El dispositivo de TAU utiliza una pequeña cámara llena de gas helio. Cuando el láser de Petawatt dispara un pulso de luz a través de este gas, la enorme energía del pulso ioniza el gas convirtiéndolo en plasma. Al atravesar el plasma, el pulso deja una estela tras de sí, similar a la que deja un barco cuando se desplaza por el agua, salvo que en este caso crea una estela de fluctuaciones de carga eléctrica extremadamente potentes.
Si se inyecta un electrón en el momento justo, estas enormes cargas en movimiento tiran de él y lo empujan detrás del pulso de luz, drenando la energía (pero no la velocidad) del pulso láser original y transfiriéndola al electrón acelerado, impulsándolo a una «buena fracción de la velocidad de la luz» en una corta distancia, según The Thought Emporium.
El avance clave de TAU en este dispositivo es un láser de ablación auxiliar que dispara ráfagas sincronizadas con precisión sobre una placa metálica dentro de la célula de gas, inyectando una corriente de nanopartículas metálicas en la cámara que puede aumentar la energía suministrada a los electrones cuando siguen las ráfagas láser.
Hegelich y su equipo están desarrollando su propio sistema láser de sobremesa, que, según dicen, hará que el sistema global sea aún más compacto y dispare miles de veces por segundo en lugar de una vez por hora.
¿Para qué servirá un acelerador de partículas ultracompacto y de alta energía? Quizá para accionar un láser de electrones libres de rayos X, que podría grabar vídeos a cámara lenta a escala atómica o molecular. También podría ser útil para comprobar la resistencia a la radiación de los componentes electrónicos destinados a vuelos espaciales, para obtener imágenes tridimensionales de las estructuras internas de los chips semiconductores y, potencialmente, para desarrollar nuevos tratamientos contra el cáncer y tecnologías avanzadas de imagen médica.
Vía utexas.edu
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