Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de California, Los Ángeles y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía ha alcanzado otro hito en el desarrollo de una tecnología prometedora para acelerar partículas a altas energías en distancias cortas: crearon un pequeño tubo de calor, gas ionizado o plasma, en el que las partículas permanecen fuertemente enfocadas mientras vuelan a través de él.
La técnica es especialmente importante para los positrones, los hermanos de antimateria de los electrones, que tienden a perder el enfoque a medida que viajan a través del plasma durante un proceso conocido como aceleración de campo de despertador de plasma. En las pruebas en la instalación de SLAC para pruebas experimentales de aceleradores avanzados FACET, unInstalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, los haces de positrones se mantuvieron apretados mientras viajaban a través del tubo de plasma
"Ser capaz de crear de manera eficiente haces de partículas que sean altamente energéticos y enfocados es un requisito previo para muchas aplicaciones de aceleradores de vanguardia", dice Marc Hogan de SLAC, co-investigador principal de un estudio publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza . "Nuestros resultados nos acercan un paso más a hacer realidad los aceleradores de partículas impulsados por plasma".
Dichos dispositivos podrían potencialmente alimentar futuros colisionadores de partículas que revelen los componentes fundamentales de la naturaleza, así como fuentes de luz de rayos X brillantes que toman instantáneas ultrarrápidas de materiales con resolución atómica.
Un tubo de plasma para mantener las partículas rápidas en el camino
En la aceleración de wakefield de plasma, haces energéticos de electrones o positrones atraviesan un plasma y generan "estelas" de plasma para arrastrar los racimos de partículas para montar. Dado que el método puede aumentar la energía de las partículas que surfean hasta 1000 veces más en una distancia determinadaque la tecnología convencional, podría allanar el camino para los aceleradores de próxima generación que son más potentes, más pequeños y menos costosos.
Sin embargo, la técnica aún tiene que superar un desafío importante: las fuerzas fuertes que apuntan hacia el centro del plasma pueden degradar la calidad del haz de partículas, que consiste en grupos de electrones o positrones. En el caso de los positrones, las partículas están desenfocadasy perdido en el plasma.
Ahora, dice Spencer Gessner de SLAC, autor principal del nuevo estudio, "hemos diseñado un canal de plasma hueco, un tubo de plasma con gas neutro en el interior. Debido a la geometría particular del plasma, las partículas vuelana través del canal no experimente ninguna de las fuerzas no deseadas ".
Experimento de prueba de principio en FACET
La idea de crear tubos de plasma ha existido durante unos 20 años, pero Gessner y sus colegas investigadores son los primeros en demostrar que en realidad pueden hacer que estos canales sean lo suficientemente grandes para los experimentos de aceleración de partículas.
Para crear plasma para sus experimentos, los investigadores envían un láser de alta potencia a través de un gas caliente del elemento químico litio. Normalmente, la intensidad del rayo láser es bastante uniforme y, por lo tanto, genera un plasma uniforme.
Pero en este caso, primero enviaron el rayo a través de una rejilla especial en forma de espiral, que dio forma al rayo láser de tal manera que si lo miraba en sección transversal, consistiría en anillos concéntricos. El anillo más internofue el único lo suficientemente intenso como para crear plasma, y cuando el rayo láser viajó a través de una nube de gas de litio, este anillo formó un tubo de plasma de aproximadamente 3 pulgadas de largo y dos centésimas de pulgada de ancho. El tubo persistió durante unas pocas billonésimas de pulgada.de segundo, el tiempo suficiente para que los científicos envíen uno de los poderosos rayos de positrones de FACET a través de él.
"Nuestros resultados muestran de hecho que el grupo de positrones no se desenfoca a medida que viaja a través del tubo", dice Gessner. "Pero encontramos aún más: el plasma responde produciendo una estela que quita mucha energía delgrupo. Esta energía podría usarse para acelerar un grupo de positrones que se arrastra. "
Próximos pasos hacia futuras aplicaciones
El equipo pronto hará un seguimiento con experimentos destinados a demostrar que la técnica puede, de hecho, aumentar la energía de los positrones que navegan por la onda de plasma dentro del canal hueco. Los investigadores también tienen la intención de mejorar la eficiencia del método aumentando la cantidad de energía almacenadaen la estela, que ya corresponde a 10 veces la potencia de aceleración de la tecnología de aceleración de radiofrecuencia convencional.
"Con su combinación única de potentes rayos de positrones y láseres de alta potencia, FACET es el único lugar en el mundo donde podemos realizar este tipo de investigación", dice Hogan. "Esperamos seguir explorando este emocionante enfoquea la aceleración de wakefield de plasma.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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