Un equipo de investigación dirigido por físicos en LMU Munich informa un avance significativo en la aceleración de partículas impulsada por láser. Usando pequeñas cuentas de plástico como objetivos, han producido racimos de protones que poseen características únicas, abriendo nuevas oportunidades para futuros estudios.
En sus experimentos, el grupo disparó un potente pulso láser a una esfera de plástico del tamaño de un micrómetro, disparó un montón de protones desde el objetivo y los aceleró a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. La distribución de velocidad resultante es mucho más estrecha que la obtenidacuando se usan láminas metálicas delgadas como objetivos.
Los últimos años han visto avances notables en el desarrollo de un nuevo enfoque para la aceleración de partículas subatómicas. Esta estrategia utiliza los intensos campos eléctricos asociados con los rayos láser pulsados de alta energía para acelerar electrones y protones a velocidades 'relativistas'.es decir, velocidades cercanas a la de la luz. La aceleración de protones impulsada por láser abre una nueva ruta hacia la construcción de aceleradores de partículas compactas. Hasta ahora, el disparo láser generalmente se ha dirigido a una delgada lámina de metal, generando y acelerando un plasma libreelectrones e iones con carga positiva. Los físicos de la Ludwig-Maximilians-Universität LMU en Munich ahora han reemplazado el objetivo de aluminio por una microesfera de plástico con un diámetro de una millonésima parte de un metro. Estas cuentas son tan pequeñas que no pueden ser establesposicionado por medios mecánicos. En cambio, los investigadores utilizan un campo eléctrico para levitar la partícula objetivo. Mediante un circuito de retroalimentación, el cordón levitado puede quedar atrapado conprecisión suficiente para garantizar que no se desvíe del eje del haz.La trampa electromagnética fue diseñada y construida en el Departamento de Física Médica de LMU.
Los experimentos se llevaron a cabo en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, el Helmholtz-Zentrum en Dresden-Rossendorf, el GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Centro de Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, el TU Darmstadt, elTU Dresden, Universidad de Goethe en Frankfurt am Main, y el Instituto Helmholtz, Jena.
La explosión de un montón de protones de tal microesfera plástica requiere sistemas láser extremadamente potentes y eficientes. El láser PHELIX en Darmstadt, que se utilizó en los experimentos, tiene las especificaciones necesarias. Es capaz de producir pulsos láser que duran 500 femtosegundos1 femtosegundo es equivalente a una millonésima de una billonésima parte de un segundo común, y transporta 150 julios de energía la cantidad necesaria para lanzar una manzana a una altitud de 75 metros.
La energía del láser se enfoca en una región con un diámetro comparable al ancho de un cabello humano. La densidad de potencia lograda es equivalente a la deposición de la cantidad total de energía generada globalmente en un solo año en un área de 1 cm 2 . Gracias a la geometría particular del objetivo de microesfera utilizado en estos experimentos, el impacto del rayo láser produce un plasma cuyas propiedades serían prácticamente imposibles de reproducir al bombardear un objetivo de aluminio.
La aceleración de protones convencional impulsada por láser da como resultado racimos de protones en los que la distribución de velocidad es exponencial, es decir, la mayoría de las partículas se aceleran a velocidades relativamente bajas y muy pocas son expulsadas del objetivo a las velocidades más altas. Los racimos de protones generados en ellos nuevos estudios son muy diferentes a este respecto: tienen una dispersión de energía muy estrecha, en otras palabras, la mayoría de las partículas exhiben velocidades muy similares. Este tipo de comportamiento es muy inusual para los haces de protones impulsados por láser, y es crucialimportancia para futuras aplicaciones del nuevo enfoque.
En paralelo con el trabajo experimental, el equipo también realizó simulaciones de la dinámica del plasma de protones en la supercomputadora TITAN. Los resultados sugieren que un grupo típico de protones contiene aproximadamente el 14 por ciento de los protones presentes en el objetivo esférico original. Estoa su vez, implica que una fracción significativa de la esfera plástica se acelera de manera compacta y direccional en estas condiciones.Además, las simulaciones también muestran que solo una pequeña proporción de la energía entregada por el láser se imparte a los protones, lo que indicaque hay mucho margen de mejora.
El enfoque básico es análogo a las colisiones entre bolas de billar. "En nuestro experimento, una de las bolas está hecha de luz y la otra es nuestro pequeño objetivo levitado", explica Peter Hilz, quien dirigió los experimentos.La generación de haces de protones hará posible los experimentos que hasta ahora estaban fuera del alcance. "En los próximos años, nos concentraremos en optimizar el nuevo proceso de aceleración con la ayuda de más simulaciones y experimentos", agrega Hilz.
Se pueden prever posibles aplicaciones futuras en la investigación de la fusión, la ciencia de los materiales y el tratamiento del cáncer. Los racimos de protones generados con la nueva técnica también deberían ser de interés para los estudios de física fundamental. Por ejemplo, podrían permitir recrearse enuna escala de laboratorio de estados de materia encontrados en el interior del Sol o en los recovecos internos de planetas gigantes como Júpiter y Saturno. Thorsten Naeser
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :