En el mundo de los aceleradores de partículas, los dispositivos láser Wakefield son pequeños, pero poderosos advenedizos. Las máquinas pueden acelerar los electrones a casi la velocidad de la luz, usando una fracción de la distancia requerida por los aceleradores de partículas convencionales. Sin embargo, los electrones no están uniformemente acelerado y los haces con una mezcla de partículas más rápidas (energía más alta) y más lentas (menor energía) son menos prácticas.

Ahora un equipo de investigadores de China, Corea del Sur y los EE.UU. ha propuesto una nueva forma de minimizar la propagación de la energía de los electrones en los aceleradores de los láser Wakefield. Publican su método en la revista ‘Physics of Plasmas’, del Instituto Americano de Física (American Institute of Physics – AIP).

Funcionamiento

Los aceleradores láser Wakefield funcionan disparando un pulso de láser ultrarrápido a través de un plasma.  Estos plasmas contienen iones cargados positivamente y electrones libres. A medida que el láser se abre camino a través del plasma, empuja los electrones fuera del camino, dejando atrás una región de iones cargados positivamente. La carga positiva atrae los electrones de vuelta en detrás del pulso láser en ondas. Estas ondas de plasma a su vez, generan fuertes campos eléctricos que los electrones pueden atrapar y acelerarlas a niveles de energía del orden de mil millones de voltios de electrones, lo que significa que los electrones están comprimidos, alrededor de 99,99999 por ciento de la velocidad de la luz.

«A lo largo del eje por el que se propaga el láser, el campo eléctrico longitudinal se asemeja a una ola de mar muy empinada a punto de romperse, lo que hará que los electrones atrapados cerca de la parte trasera sientan una fuerte aceleración hacia adelante», según dijo Jiansheng Liu, un físico de la Academia China de Ciencias.

Minimizar la propagación de la energía

La aceleración es tan fuerte que los dispositivos láser Wakefield pueden impulsar los electrones a niveles ultra alta energía en cuestión de centímetros, una hazaña que llevaría a los aceleradores convencionales más avanzados muchos metros de lograr.

Sin embargo, hay desventajas en los aceleradores láser Wakefield. En primer lugar, los electrones pueden entrar en la onda de plasma en diferentes momentos y los electrones que entran primero se aceleran durante más tiempo. En segundo lugar, la aceleración no es uniforme, por lo que los electrones en diferentes lugares reciben diferentes impulsos de energía. Ambos factores contribuyen a una dispersión de energía de los electrones acelerados – una característica indeseable para aplicaciones prácticas.

Liu y sus colegas proponen una nueva manera de minimizar la propagación de la energía. Después de que los electrones entren en la onda de plasma, pero antes de que se aceleran, el equipo propone la inserción de un compresor de plasma. El compresor comprime los electrones juntos y también voltea su orden, de modo que los electrones rápidos que estaban en la parte frontal del pulso están ahora en la parte posterior.

Los esfuerzos previos para minimizar la energía difundida por la optimización del proceso de inyección de electrones o dar forma a las partículas producidas en el campo de aceleración, cuyos niveles de energía varían en varios puntos porcentuales. El nuevo sistema debe ser capaz de reducir la propagación de energía al nivel de una milésima, más de 10 veces mejor.

Una milésima de nivel uno o más baja energía difusión podría presentar nuevas solicitudes de aceleradores Wakefield láser posibles, incluyendo un láser de electrones libres de mesa de rayos X altamente deseable, dijo Liu.

Liu y sus compañeros están trabajando actualmente en su método propuesto, mediante la construcción de un dispositivo en el laboratorio.

El artículo, «La reducción al mínimo de la propagación de energía en un acelerador Wakefield láser en cascada, a través de agrupamiento de velocidad «, en inglés (‘Energy spread minimization in a cascaded laser wakefield accelerator via velocity bunching’) está escrito por Zhijun Zhang, Wentao Li, Jiansheng Liu, Wentao Wang, Changhai Yu Ye Tian, ​​Kazuhisa Nakajima, Aihua Deng, Rong Qi, Cheng Wang , Qin Zhiyong, fang Ming, Liu Jia Qi, Changquan Xia, Li y Ruxin Zhizhan Xu. Fue publicado en ‘Physics of Plasmas’, el 10 de mayo del 2016 (DOI: 10.1063 / 1.4947536).

Se puede consultar en http://scitation.aip.org/content/aip/journal/pop/23/5/10.1063/1.4947536.

Los autores de este trabajo están afiliados a la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Shanghai Jiao Tong, el Instituto de Ciencias Básicas, UCLA, y la Universidad de Yangzhou.

Fuente e imagen: American Institute of Physics (AIP) Newsroom.