Un pequeño acelerador de partículas revoluciona la obtención de energía

Un nuevo acelerador de partículas puede obtener 10 mil millones de electronvoltios (10 GeV) en solo 10 centímetros, un avance que podría reducir el enorme tamaño y el elevado costo de los aceleradores de partículas convencionales.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Austin ha logrado un avance significativo en el desarrollo de una nueva tecnología de acelerador compacto que podría reducir el tamaño y el costo de los aceleradores de partículas utilizados para una variedad de aplicaciones, desde la física de altas energías hasta la medicina y la industria.

El acelerador compacto utiliza un concepto llamado aceleración por plasma (más concretamente denominado acelerador láser avanzado de Wakefield) que consiste en crear un plasma (un gas ionizado) dentro de un tubo de metal y usar un láser o un haz de electrones para excitar las ondas de plasma que pueden acelerar las partículas a altas energías en distancias muy cortas.

El equipo de UT Austin ha demostrado por primera vez que se puede lograr una aceleración neta de energía utilizando un acelerador por plasma impulsado por un haz de electrones, es decir, que la energía ganada por las partículas aceleradas es mayor que la energía perdida por el haz impulsor. Este es un requisito esencial para que esta tecnología sea viable para aplicaciones prácticas.

Acelerador lineal

El experimento se realizó en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU., donde los investigadores utilizaron el acelerador lineal de 3 km de longitud para generar un haz de electrones de 20 GeV (gigaelectronvoltios) que se inyectó en una cámara de plasma de 10 cm de longitud.

Dentro de la cámara, el haz de electrones excitó las ondas de plasma y transfirió parte de su energía a un segundo haz de electrones más débil que lo seguía. El resultado fue que el haz débil aumentó su energía de 9 GeV a 19 GeV, mientras que el haz fuerte disminuyó su energía de 20 GeV a 10 GeV, lo que significa que hubo una transferencia neta de energía de 10 GeV del haz impulsor al haz acelerado.

Esto fue posible gracias a que el acelerador, impulsado por un láser de petavatios, tenía una novedad: el gas helio estaba enriquecido con nanopartículas de aluminio que aumentaron la densidad de carga en el gas y, en consecuencia, la aceleración.

Estamos hablando de una energía de 10 mil millones de electronvoltios, un dato significativo porque actualmente sólo hay otros dos aceleradores en funcionamiento en Estados Unidos que pueden alcanzar energías electrónicas tan altas, pero ambos tienen aproximadamente 3 kilómetros de largo. Gracias al nuevo desarrollo, ahora se pueden alcanzar esas energías en solo 10 centímetros.

Paso importante

Este logro es un paso importante hacia la construcción de un acelerador por plasma que pueda alcanzar energías comparables a las de los aceleradores convencionales, pero en una fracción de su tamaño y costo.

Por ejemplo, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC), un proyecto propuesto para construir un acelerador lineal de electrones y positrones de varios TeV (teraelectronvoltios) en el CERN, utilizaría cavidades de radiofrecuencia y un concepto de aceleración de dos haces para producir campos aceleradores de hasta 100 MV por metro.

Si se pudiera reemplazar esta tecnología por la aceleración por plasma, se podría reducir el tamaño del acelerador de unos 50 km a unos pocos km, y se podría reducir el costo de la infraestructura y el funcionamiento.

Potenciales aplicaciones

Además de la física de altas energías, la tecnología de acelerador compacto también tiene potencial para otras aplicaciones, como la generación de fuentes de neutrones compactas para la investigación de materiales, la producción de isótopos médicos para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades, o la creación de rayos X de alta intensidad para la imagenología y la litografía.

Los investigadores de UT Austin planean continuar su trabajo para mejorar el rendimiento y la estabilidad del acelerador por plasma, así como para explorar las posibilidades de integrarlo con otros componentes, como fuentes de partículas, sistemas de transporte y óptica de haz, y dispositivos de diagnóstico e instrumentación.

Su objetivo final es desarrollar un prototipo de acelerador compacto que pueda demostrar las ventajas de esta tecnología para diversas aplicaciones.

Referencia

The acceleration of a high-charge electron bunch to 10 GeV in a 10-cm nanoparticle-assisted wakefield accelerator. Constantin Aniculaese et al. Matter Radiat. Extremes 9, 014001 (2024). DOI:https://doi.org/10.1063/5.0161687