El truco del "Caballo de Troya" promete rayos de electrones ultra-brillantes

El equipo de investigación prueba con éxito por primera vez el fotocátodo de plasma

20.09.2019

DESY, Thomas Heinemann

Ilustración, basada en simulaciones, de la técnica del Caballo de Troya para la producción de haces de electrones de alta energía. Un rayo láser (rojo) elimina los electrones (puntos celestes) de los átomos de helio. Algunos de los electrones liberados (puntos rojos) se aceleran dentro de una burbuja de plasma (forma elíptica blanca) creada por un haz de electrones (azul oscuro).

Usando un truco modelado en el Caballo de Troya, una nueva fuente de electrones puede generar haces de partículas extremadamente brillantes. El nuevo método utiliza tecnología de aceleración de plasma y promete de 100 a 10.000 veces más haces de electrones bien enfocados de lo que los aceleradores convencionales pueden ofrecer en la actualidad. Un equipo internacional dirigido por Bernhard Hidding de la Universidad de Strathclyde en Glasgow, Escocia, ha probado con éxito el método en el US SLAC National Accelerator Laboratory en California y presenta los resultados en la revista Nature Physics. Los investigadores de DESY jugaron un papel importante en el trabajo.

Los haces de electrones de alta energía son herramientas versátiles para explorar el reino de las moléculas, los átomos y las partículas elementales. Pueden ser utilizados para colisionar con los electrones y sus antipartículas, positrones, con el fin de desentrañar los secretos del mundo subatómico. O pueden ser alimentados en arreglos magnéticos especializados para generar rayos X extremadamente brillantes, que pueden ser utilizados, por ejemplo, para observar proteínas en el trabajo y analizar la estructura interna de nuevos nanomateriales. "En cualquier caso, cuanto más fríos y pequeños sean los haces de electrones, mejor", explica el físico de DESY Alexander Knetsch, coautor de la publicación.

El equipo probó un proceso en el que los electrones"fríos" con poca energía cinética son acelerados por una onda de plasma. Un plasma es un gas en el que los electrones han sido despojados de las moléculas o átomos para que se carguen eléctricamente. Si un fuerte pulso de láser o un grupo de electrones de alta energía se dispara contra el plasma, genera una onda cargada eléctricamente en su estela en la que los electrones pueden cabalgar como un surfista en una ola oceánica. Esta aceleración de plasma wakefield puede acelerar partículas mucho más fuertes en una corta distancia que la mejor tecnología de acelerador convencional disponible hoy en día. Sin embargo, la aceleración del campo de plasma en wakefield está todavía en fase experimental y sólo hay pocas aplicaciones todavía.

"Cuanto más fríos son los electrones al principio de la aceleración, más lentos se mueven y más cerca se mantienen juntos, lo que constituye un importante requisito previo para la formación de haces muy concentrados", dice Knetsch. Para su método, los físicos liberaron electrones fríos en la burbuja de plasma caliente de una manera similar a como los griegos supuestamente una vez trajeron soldados de contrabando a la ciudad sitiada de Troya en un caballo de madera. En lugar de un caballo de madera, sin embargo, los átomos de helio sirvieron como escondites para los electrones.

Los investigadores usaron una mezcla de hidrógeno y helio como gas. El láser que generó el plasma era lo suficientemente energético como para liberar los electrones del hidrógeno, pero no los del helio. Los científicos produjeron así una onda de plasma a partir de hidrógeno, mientras que el helio permaneció sin impresionar. Con un segundo pulso de láser dirigido con precisión, que tenía una energía ligeramente superior, liberaron electrones de sus "caballos de Troya", los átomos de helio, justo dentro de la burbuja de plasma. Estos electrones todavía fríos fueron generados en un rango minúsculo de unas pocas milésimas de milímetro de diámetro e incluso más fuertemente comprimidos por la onda de plasma entrante.

"Nuestro experimento demuestra por primera vez que el método del caballo de Troya realmente funciona", enfatiza Hidding. "Es uno de los métodos más prometedores para futuras fuentes de electrones y podría empujar los límites de la tecnología actual." Esta configuración de plasma asume la función del fotocátodo, que normalmente se utiliza como fuente de electrones para los aceleradores de partículas convencionales. En estos dispositivos altamente especializados, un láser saca electrones de un trozo de metal, los captura con un fuerte campo electromagnético y los empaqueta y los empaqueta en manojos que finalmente se introducen en el acelerador.

Los electrones del fotocátodo de plasma que ahora ha sido probado con éxito también podrían ser alimentados a un acelerador de partículas, pero también pueden ser acelerados a altas energías directamente en el plasma mismo. En el experimento piloto, los electrones alcanzaron hasta 700 mega electronvoltios. Los investigadores estiman que la calidad del haz ya puede competir con las fuentes convencionales de electrones. En otros experimentos se pretende aumentar la calidad y la estabilidad del haz, así como mejorar el diagnóstico del haz.

El trabajo involucró a la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), la Universidad Tecnológica de Zheijang en China, la Universidad de Hamburgo, la Universidad de Strathclyde en Glasgow, el Instituto Británico de Cockcroft, la Universidad de Colorado, la Universidad de Oslo, la Universidad de Texas, las empresas estadounidenses RadiaBeam, RadiaSoft y Tech-X Corporation, así como los centros de aceleradores SLAC y DESY.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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