La gente del Centro Acelerador Lineal de Stanford parece pensar que sí:
Aceleración de plasma Wakefield
Los aceleradores de partículas hasta ahora se han basado en campos eléctricos generados por ondas de radio para acelerar electrones y otras partículas cercanas a la velocidad de la luz. Pero las máquinas de radiofrecuencia tienen un límite superior de decenas de MeV (millones de electronvoltios) por metro de línea de haz. A energías más altas, los campos eléctricos de RF pueden descomponerse e incluso podrían generar suficiente calor para derretir los componentes del acelerador. Entonces, la única forma de obtener más potencia de un acelerador de RF es construir una línea de luz más larga y costosa.
Los experimentos indican que las máquinas de plasma wakefield podrían generar decenas de miles de millones de voltios de electrones por metro, hasta 1000 veces más potencial de aceleración por longitud de acelerador, lo que permitiría aceleradores más pequeños de tremenda potencia. Dicho sistema usaría electrones a alta velocidad o un pulso láser para crear una “estela” de carga en un mar de gas ionizado o plasma. Como un surfista en una buena ola, las partículas montarían esta estela de plasma a velocidades cada vez mayores. Pero hay desafíos técnicos que superar antes de que los aceleradores de mesa y los turbocompresores de plasma para aceleradores más grandes puedan convertirse en realidad. Los científicos deben determinar cómo acelerar los haces de partículas, incluidos los electrones y su contraparte de antimateria, los positrones, que son adecuados para un futuro colisionador.
El acelerador de Wakefield de plasma impulsado por haz
Un acelerador de plasma reemplaza las estructuras aceleradoras metálicas estáticas convencionales (cobre o niobio) con una estructura que se forma dinámicamente con un tubo de plasma. El concepto básico del acelerador de campo de estela de plasma implica el paso de un grupo de electrones a una velocidad cercana a la luz a través de un plasma estacionario. El plasma puede formarse ionizando un gas con un láser o mediante ionización de campo por el grupo de electrones entrante. Este segundo método permite la producción de plasmas densos de un metro de largo adecuados para la aceleración del campo de plasma y simplifica enormemente la configuración experimental. En los experimentos de un solo grupo, la cabeza del grupo crea el plasma y genera una “estela” de carga. La estela es expulsada del camino de los electrones entrantes, creando un desequilibrio de carga que lo empuja de nuevo, detrás del grupo de electrones que pasa. Este efecto produce un campo fuerte que acelera las partículas en la parte posterior del grupo. El sistema funciona efectivamente como un transformador, donde la energía de las partículas en la cabeza se transfiere a las de la parte posterior, a través de la estela de plasma. La física es similar si hay dos racimos en lugar de uno; la energía del grupo principal “drive” se transfiere a un grupo “testigo” final.
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Los investigadores alcanzan un hito en la aceleración de partículas con plasma
Los investigadores alcanzan un hito en la aceleración de partículas con plasma
Demostración de SLAC muestra que la técnica es potente, eficiente y suficiente para impulsar futuros aceleradores de partículas
5 de noviembre de 2014
Menlo Park, California – Científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de California, Los Ángeles, han demostrado que una técnica prometedora para acelerar electrones en ondas de plasma es lo suficientemente eficiente como para impulsar una nueva generación más corta y económica. aceleradores Esto podría ampliar en gran medida su uso en áreas como la medicina, la seguridad nacional, la industria y la investigación de física de alta energía.
Este logro es un hito en la demostración de la practicidad de la aceleración del campo de estela de plasma, una técnica en la que los electrones obtienen energía al navegar esencialmente en una ola de electrones dentro de un gas ionizado.
Utilizando la Instalación de SLAC para Pruebas Experimentales de Acelerador Avanzado (FACET), una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, los investigadores aumentaron los racimos de electrones a energías 400 a 500 veces más altas de lo que podrían alcanzar recorriendo la misma distancia en un acelerador convencional. Igual de importante, la energía se transfirió a los electrones de manera mucho más eficiente que en experimentos anteriores. Esta combinación crucial de energía y eficiencia nunca antes se había alcanzado. Los resultados se describen en un artículo publicado hoy en la revista Nature .
“Muchos de los aspectos prácticos de un acelerador están determinados por la rapidez con que las partículas pueden acelerarse”, dijo el físico acelerador de SLAC Mike Litos, autor principal del artículo. “Para poner estos resultados en contexto, ahora hemos demostrado que podríamos usar esta técnica para acelerar un haz de electrones a las mismas energías logradas en el acelerador lineal SLAC de 2 millas de largo en menos de 20 pies “.
Los campos de vigas de plasma han sido de interés para los físicos aceleradores durante 35 años como una de las formas más prometedoras de impulsar los aceleradores más pequeños y más baratos del futuro. Los grupos UCLA y SLAC han estado a la vanguardia de la investigación sobre la aceleración del campo de vigas de plasma durante más de una década. En un artículo de 2007, los investigadores anunciaron que habían acelerado los electrones en el extremo posterior de un largo grupo de electrones de 42 mil millones de electronvoltios a 85 mil millones de electronvoltios, causando una gran emoción en la comunidad científica. Sin embargo, menos de mil millones de los 18 mil millones de electrones en el pulso en realidad ganaron energía y tenían una amplia distribución de energías, haciéndolos inadecuados para los experimentos.
En este experimento, los investigadores enviaron pares de racimos de electrones que contienen de 5 mil millones a 6 mil millones de electrones cada uno en una columna de plasma generada por láser dentro de un horno de gas de litio caliente. El primer grupo de cada par fue el grupo de unidades; eliminó todos los electrones libres de los átomos de litio, dejando atrás los núcleos de litio cargados positivamente, una configuración conocida como el “régimen de escape”. Los electrones destruidos cayeron nuevamente detrás del segundo grupo de electrones, conocido como el grupo final, formando una “estela de plasma” que impulsó al grupo final a una mayor energíaUna tecnología eficiente y viable
Experimentos anteriores habían demostrado una aceleración de múltiples grupos, pero el equipo de SLAC fue el primero en alcanzar las altas energías del régimen de explosión, donde se pueden encontrar las máximas ganancias de energía con la máxima eficiencia. De igual importancia, los electrones acelerados terminaron con una dispersión de energía relativamente pequeña.
“Estos resultados tienen una importancia adicional más allá de un experimento exitoso”, dijo Mark Hogan, físico acelerador de SLAC y uno de los principales investigadores del experimento. “Alcanzar el régimen de reventón con una configuración de dos grupos nos ha permitido aumentar la eficiencia de la aceleración hasta un máximo del 50 por ciento, lo suficientemente alto como para mostrar realmente que la aceleración del campo de plasma es una tecnología viable para futuros aceleradores”.
La fuente de plasma utilizada en el experimento fue desarrollada por un equipo de científicos dirigido por Chandrashekhar Joshi, director de la Instalación de Neptuno para la Investigación Avanzada del Acelerador en UCLA. Es el investigador principal de la UCLA para esta investigación, miembro de la facultad de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de la UCLA y colaborador desde hace mucho tiempo con el grupo SLAC.
“Es gratificante ver que la colaboración UCLA-SLAC en la aceleración de plasma wakefield continúa resolviendo problemas aparentemente intratables uno por uno a través del trabajo experimental sistemático”, dijo Joshi. “Es este tipo de investigación transformadora la que atrae a los mejores y más brillantes estudiantes a este campo, y es imperativo que tengan instalaciones como FACET para llevarlo a cabo”.Los siguientes pasos
Hay más hitos por delante. Antes de que pueda utilizarse la aceleración del campo de estela de plasma, dijo Hogan, los racimos de arrastre deben estar formados y espaciados a la perfección para que todos los electrones en un grupo reciban exactamente el mismo impulso de energía, manteniendo la alta calidad general del haz de electrones.
“Tenemos nuestro trabajo para nosotros”, dijo Hogan. “Pero no tiene muchas oportunidades de realizar investigaciones que sabe de antemano que tiene el potencial de ser inmensamente gratificante, tanto científica como prácticamente”.
Las simulaciones por computadora utilizadas en los experimentos fueron desarrolladas por el grupo de Warren Mori en la UCLA. Los contribuyentes adicionales incluyeron investigadores de SLAC, la Universidad de Oslo en Noruega, la Universidad de Tsinghua en China y el Instituto Max Planck de Física en Alemania. La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE.
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