Para los físicos que quieren estudiar las partículas subatómicas que son los bloques de construcción básicos del universo y aprender cómo interactúan, un acelerador de partículas , un dispositivo masivo que acelera y energiza las partículas y hace que colisionen, es una herramienta realmente importante. Imagina un acelerador como un microscopio del tamaño de una montaña, capaz de estudiar las cosas más pequeñas que existen.
"Los aceleradores son lo último en microscopios" , explica Mark J. Hogan , físico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park, California, en un correo electrónico. "Su poder de resolución es proporcional a la energía de los haces de partículas. Las máquinas actuales que operan en la frontera energética son monumentos a la ingeniería humana. Estas máquinas tienen decenas de kilómetros de extensión pero controlan sus haces a fracciones del diámetro de un cabello humano. "
Por eso, con un acelerador, cuanto más grande siempre ha sido mejor. Si eres un aficionado a la ciencia, probablemente hayas oído hablar del gran acelerador de todos, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN , el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza. Posiblemente la máquina más compleja jamás creada, el LHC tiene una enorme pista de 17 millas (27,35 kilómetros) que utiliza para acelerar las partículas. Los científicos utilizaron el LHC en 2012 para observar el bosón de Higgs , una partícula que ayuda a explicar por qué otras partículas tienen masa y por qué las cosas se mantienen unidas.
Más pequeño y menos costoso
Sin embargo, un problema con los aceleradores de partículas realmente grandes es que son increíblemente caros y consumen enormes cantidades de electricidad. El LHC, por ejemplo, costó $ 4.1 mil millones solo para construir. Entonces, lo que a los físicos realmente les encantaría tener es una forma de hacer el trabajo que no sea tan grande y costosa.
Es por eso que ha habido tanto entusiasmo por la noticia de que los investigadores del CERN han probado con éxito una nueva forma de acelerar electrones a altas energías a través de la aceleración de campo de despertador de plasma impulsada por protones. El método implica el uso de grupos intensos de protones para generar ondas en el plasma , una sopa de átomos ionizados. Luego, los electrones viajan en las ondas para acelerar, como si fueran surfistas de escala subatómica.
En una prueba con el Experimento Avanzado de Wakefield (AWAKE) en mayo, los investigadores del CERN lograron utilizar el método para acelerar electrones a energías de 2 gigaelectronvoltios (GeV) en una distancia de 10 metros (32,8 pies).
Aquí hay un video en el que Edda Gschwendtner, líder del proyecto CERN AWAKE, explica el concepto de aceleradores y por qué un acelerador de wakefield de plasma impulsado por proteínas es un gran avance:
Otros investigadores elogiaron el logro del CERN. "Esta técnica podría permitir a las instalaciones del CERN tener una nueva forma compacta de producir electrones de alta energía que podrían colisionar con objetivos fijos o haces de protones para crear una nueva herramienta para que los físicos de partículas comprendan las partículas fundamentales y las fuerzas que gobiernan sus interacciones". Dice Hogan.
"Este resultado es importante para el futuro de la física de altas energías, ya que puede abrir un camino hacia un acelerador de electrones compacto de 1 TeV basado en la aceleración de wakefield de plasma", explica James Rosenzweig , profesor de dinámica de aceleradores y haces en UCLA y director de el laboratorio de física de haces de partículas de la universidad . "Desde el punto de vista de la introducción de principios físicos, este experimento es el primero: introduce campos de despertar de plasma excitados por haces de protones.
"La ventaja clave que se encuentra en los aceleradores de plasma se encuentra en los grandes campos eléctricos de aceleración que se pueden soportar, hasta 1.000 veces más grandes que en los aceleradores convencionales. El uso de protones en principio permite haces con una energía total disponible mucho mayor para la aceleración", Rosenzweig dice por correo electrónico.
El equipo de Hogan en SLAC ha desarrollado un método diferente de aceleración de wakefield de plasma, que se basa en grupos de electrones insertados en el plasma para crear ondas en las que otros electrones pueden viajar. Pero cualquiera que sea el método que se utilice, el plasma ofrece una forma de superar las limitaciones de los aceleradores convencionales.
"Sin embargo, con toda su precisión y éxito, estas máquinas se están acercando a los límites de tamaño y costo que la sociedad se puede permitir", dice Hogan. "Para las máquinas que aceleran los electrones, el tamaño está relacionado con la tasa máxima a la que podemos agregar energía a las partículas. Usando tecnologías convencionales con estructuras metálicas, no podemos aumentar esta tasa más a medida que los campos se vuelven tan grandes que los materiales se descomponen debajo de la Fuerzas extremas Un plasma, un gas ionizado, ya está descompuesto y puede soportar campos mucho más grandes y, cuando se manipula adecuadamente, puede agregar energía a los haces de partículas a una velocidad mucho mayor y, en principio, llegar a la frontera energética en una huella más pequeña.
"Muchos grupos han demostrado que podemos usar plasmas para hacer grupos energéticos de electrones", dice Hogan. "Gran parte de la próxima generación de investigación está orientada a demostrar que podemos hacer esto al mismo tiempo que producimos haces con una calidad y estabilidad equivalentes a las tecnologías convencionales. Otros temas de investigación están pensando en cómo encadenar muchas células plasmáticas consecutivas de forma consecutiva para alcanzar altas energías. Otros desafíos son comprender cómo acelerar los positrones, la antimateria equivalente a los electrones en un plasma. De cara al futuro, muchos grupos, incluidos mis colegas de SLAC, esperan desarrollar haces de alta energía con cualidades superiores que abrirán la puerta a nuevos instrumentos científicos en la próxima década y más allá ".
Un portavoz de AWAKE dijo a la revista Science que los investigadores esperan desarrollar la tecnología durante los próximos cinco años, hasta el punto en que pueda usarse para la investigación de la física de partículas.
Eso es interesante
Como detalla la revista Horizon de la Unión Europea , los científicos también han imaginado la construcción de un acelerador de partículas convencional que es tres veces el tamaño del LHC. El dispositivo tendría la capacidad de aplastar partículas al energizarlas con el equivalente a 10 millones de rayos.
