Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional SLAC, en Estados Unidos, ha logrado crear un haz de electrones ultracorto con cinco veces más corriente pico que cualquier otro haz similar en el planeta. Este avance, publicado en la revista Physical Review Letters, aborda uno de los desafíos más importantes en la física de aceleradores de partículas y abre la puerta a nuevos descubrimientos en diversas áreas científicas, como la química cuántica, la astrofísica y la ciencia de materiales.
Claudio Emma, científico del Departamento de Energía de EE.UU. y autor principal del estudio, explicó que la capacidad de crear y controlar este haz potente permite explorar un rango más amplio de fenómenos físicos y químicos que nunca antes había sido posible.
El equilibrio de la potencia
Según lo expuesto en la Hoja de Ruta de Física de Aceleradores y Haz, publicada en 2022, uno de los principales retos para los físicos ha sido generar haces de electrones mucho más potentes sin sacrificar la calidad del haz. Tradicionalmente, se utiliza un campo de microondas para comprimir y enfocar el haz de electrones; sin embargo, este método presenta limitaciones debido a la pérdida de energía por radiación durante la aceleración de los electrones.
Emma describe el proceso tradicional como similar a una carrera de atletismo, donde los corredores están alineados de manera escalonada. Los electrones en la parte trasera, que tienen más energía, deben alcanzar a los de la parte delantera, lo que resulta en un haz enfocado pero de calidad comprometida.
Para superar este obstáculo, los investigadores de SLAC comprimen miles de millones de electrones en una longitud de menos de un micrómetro mediante una técnica de modelado basada en láser, originalmente desarrollada para láseres de electrones libres de rayos X, como el Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) de SLAC. Utilizar láseres ofrece una modulación de energía más precisa que la que se puede lograr con campos de microondas, aunque no sin desafíos significativos en términos de transporte y compresión del haz.
Después de meses de pruebas, el equipo de Emma ha logrado producir repetidamente haces de electrones de alta energía y duración en femtosegundos, con una potencia pico de petavatios que supera en cinco veces lo que se había conseguido anteriormente.
Este nuevo haz permitirá a los científicos investigar una serie de fenómenos naturales, desde la verificación de hipótesis en física cuántica hasta experimentos en ciencia de materiales y astrofísica. Por ejemplo, en astrofísica, el haz puede dirigirse a un objetivo sólido o gaseoso para crear filamentos similares a los que se observan en las estrellas, permitiendo estudios sobre su formación y evolución en condiciones de laboratorio.
Investigadores del FACET-II ya han comenzado a aplicar este haz más potente para avanzar en la tecnología de campo de plasma, mientras que Emma se muestra entusiasmado por la posibilidad de comprimir aún más estos haces para generar pulsos de luz de attosegundos, lo que potenciaría aún más las capacidades actuales del LCLS y fomentaría avances científicos significativos.
La instalación FACET-II se presenta como un recurso invaluable para investigadores que deseen llevar a cabo experimentos innovadores utilizando este nuevo y potente haz de electrones.
