Investigadores logran un gran paso para crear aceleradores de partículas más pequeños y baratos

Investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory de Estados Unidos, han demostrado una manera nueva y eficiente de acelerar positrones, la antipartícula de los electrones.

El método puede ayudar a aumentar la energía y reducir el tamaño de los futuros colisionadores de partículas lineales, potentes aceleradores que podrían utilizarse para desentrañar las propiedades de los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza.

Los científicos ya habían demostrado que aumentar la energía de las partículas cargadas teniéndolas «surfeando» una ola de gas ionizado, o plasma, funciona bien para los electrones. Aunque este método por sí solo podría llevar a aceleradores más pequeños, los electrones son sólo la mitad de la ecuación para los futuros colisionadores.

Ahora los investigadores han llegado a otro hito al aplicar la técnica de positrones en ‘SLAC’s Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests’ (FACET), una instalación de las Oficinas de Ciencia del de Departamento de Energía.

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«Junto con nuestros logros anteriores, el nuevo estudio es un paso muy importante hacia la fabricación de pequeños y menos costosos colisionadores electrón-positrón de próxima generación», destaca Mark Hogan, del SLAC y coautor del estudio que se publica este miércoles en ‘Nature’. «FACET es el único lugar en el mundo donde podemos acelerar positrones y electrones con este método», agrega en un comunicado del SLAC.

El director de SLAC, Chi-Chang Kao, subraya: «Nuestros investigadores han jugado un papel instrumental en avanzar en el campo de los aceleradores a base de plasma desde la década de 1990. Los resultados recientes son un logro importante para el laboratorio, que sigue llevando a la ciencia y la tecnología de aceleración al siguiente nivel».

Las colisiones entre electrones y positrones son especialmente atractivas porque a diferencia de los protones que chocan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, conocida como CERN, donde se descubrió en 2012 el bosón de Higgs, estas partículas no están hechas de partes constituyentes más pequeñas.

«Estas colisiones son más simples y más fáciles de estudiar -apunta el físico teórido de SLAC Michael Peskin, que no participó en el estudio–. Además, las nuevas partículas exóticas, se producirían más o menos al mismo ritmo que las partículas conocidas. En el LHC son mil millones de veces más raras».

Sin embargo, la tecnología actual para construir colisionadores de electrón-positrón para experimentos de próxima generación requeriría aceleradores que sean decenas de kilómetros de largo. La aceleración de plasma Wakefield es una forma en la que los investigadores esperan construir aceleradores más cortos y más económicas. En este vídeo, se muestra cómo funciona:

Trabajos anteriores mostraron que el método funciona de manera eficiente para los electrones: cuando uno de los grupos de electroces firmemente enfocados en FACET entra en un gas ionizado, se crea una «estela» de plasma que los investigadores utilizan para acelerar un segundo grupo de electrones.

Para los positrones –el otro componente de partículas necesario para los colisionadores electrón-positrón–, la aceleración Wakefield de plasma es mucho más difícil. De hecho, muchos científicos creían que no importa dónde se coloca un grupo de positrones posterior en una estela, que perdería su forma compacta focalizada o incluso reduciría la velocidad. «Nuestro avance clave fue encontrar un nuevo régimen que nos permite acelerar positrones en plasmas de manera eficiente», destaca el coautor del estudio Chandrashekhar Joshi, de UCLA.

En lugar de utilizar dos grupos de partículas separados –uno para crear una estela y el otro para navegar por ella–, el equipo descubrió que un solo conjunto de positrones puede interactuar con el plasma de tal manera que su frente genera una estela que acelera y enfoca su extremo trasero. Esto se produce después de que los positrones han viajado cerca de cuatro pulgadas (unos diez centímetros) a través del plasma.

«En este estado estable, alrededor de mil millones de positrones obtuvierno 5.000 millones de electronvoltios de energía en una distancia corta de tan sólo 1,3 metros», resalta el exinvestigador de SLAC Sébastien Corde, primer autor del estudio, que ahora está en la Escuela Politécnica de Francia. «También funcionaron de manera muy eficiente y uniforme, resultando en un grupo acelerado con una energía bien definida».

Todas estas propiedades son cualidades importantes para haces de partículas en los aceleradores, por lo que el siguiente paso de estos investigadores será tratar de mejorar más su experiencia. «Hemos realizado simulaciones para entender cómo se creó el estado estable -dice el el coautor Warren Mori, de UCLA–. Sobre la base de este entendimiento, ahora podemos utilizar simulaciones para buscar formas de generar estelas de un modo mejorado y más controlado. Esto dará lugar a ideas para futuros experimentos».

Aunque no se constriuirán colisionadores de partículas a base de plasma en un futuro próximo, el método podría emplearse para actualizar los aceleradores existentes mucho antes. «Es concebible aumentar el rendimiento de los aceleradores lineales mediante la adición de un pequeño acelerador de plasma al final –sugiere Corde–. Esto supondría multiplicar la energía del acelerador sin alargar significativamente toda la estructura».

 

ep – INNOVAticias.com

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