Investigadores del Centro del Acelerador Lineal de Standford (SLAC) y de la Universidad de Stanford (EE.UU.) han creado un acelerador de partículas en un chip de vidrio más pequeño que un grano de arroz que acelera electrones mediante un láser a una velocidad 10 veces superior a la tecnología convencional.
La imagen de las mastodónticas máquinas que nos viene a la cabeza cuando pensamos en aceleradores de partículas podría empezar a quedarse desfasada. Las gigantescas instalaciones hasta ahora necesarias para acelerar y chocar entre sí las minúsculas partículas elementales en busca de la física más básica se rendirán a la idea de ‘menos es más’ si el proyecto conjunto del
Centro del Acelerador Lineal de Standford (
SLAC) y la
Universidad de Stanford continúa su exitosa carrera. Investigadores de ambos centros estadounidenses han creado un acelerador de partículas del tamaño de un grano de arroz, que además de una evidente mayor manejabilidad, alcanza velocidades 10 veces superiores a la tecnología convencional y tiene un coste muy inferior que ésta.
El acelerador se ha construido en un chip de vidrio nanoestructurado de unos
3 milímetros que acelera los electrones gracias a un láser.
"Todavía tenemos que superar una serie de desafíos para que esta tecnología se convierta en práctica para su uso en el mundo real, pero con el tiempo se reduciría sustancialmente el tamaño y el costo de los futuros colisionadores de partículas de alta energía para explorar el mundo de las partículas y las fuerzas fundamentales ", señala el director de los experimentos,
Joel England, en una nota de prensa del SLAC. "También podría ayudar a permitir aceleradores compactos y dispositivos de rayos X para el análisis de seguridad, el tratamiento médico y de la imagen y la investigación en la biología y en la ciencia de los materiales", amplia el físico.
El equipo creador del acelerador, de izquierda a derecha: Robert Byer, Keen Soong, Dieter Walz, Ken Leedle, Edgar Peralta, Jim Spencer y Joel EnglandDebido a que emplea láseres comerciales y técnicas de producción en masa a bajo costo, los investigadores creen que será el escenario para las nuevas generaciones de aceleradores “de mesa”.
En su máximo potencial, el nuevo ‘chip acelerador’ puede igualar el poder de aceleración de acelerador lineal de 3,2 kilómetros de largo de SLAC en sólo 30 metros y emitir un millón más de pulsos de electrones por segundo.
En una demostración inicial, el chip logró un gradiente de aceleración –medida que relaciona la cantidad de energía obtenida con cada unidad de longitud que se ha necesitado para conseguirla- de 300 millones de electronvoltios por metro. Esto es aproximadamente
10 veces la aceleración proporcionada por el actual acelerador lineal del SLAC, mucho más grande y costoso.
Aún así, los investigadores responsables del avance se marcan metas más ambiciosas. "Nuestro objetivo final es alcanzar los mil millones de electronvoltios por metro, y sólo en nuestro primer experimento ya hemos avanzado un tercio del camino”, explica
Robert Byer, profesor de Stanford e investigador principal del estudio, en la nota de prensa.
¿Cómo funciona?Los aceleradores actuales utilizan microondas para aumentar la energía de los electrones. Los investigadores llevan tiempo buscando alternativas más económicas y esta nueva técnica, que utiliza láseres ultrarrápidos para accionar el acelerador, se ha convertido en el candidato más prometedor.
En los experimentos de colisión de partículas, las partículas se aceleran generalmente
en dos etapas: primero se elevan a casi la velocidad de la luz y después se aumenta su energía mediante una aceleración adicional. La parte difícil es conseguir que con esa segunda aceleración se incremente, además de su energía, su velocidad.
En el caso del ‘chip acelerador’, los electrones son acelerados primero hasta esa franja cercana a la velocidad de la luz en un acelerador convencional. A continuación, se centran en un canal dentro de un chip de vidrio de cuarzo en el que una luz de láser infrarrojo genera campos eléctricos que interaccionan con los electrones para aumentar su energía.
El problema es que, aunque se puedan sustituir los grandes aceleradores por este chip ‘de sobremesa’ para la segunda fase, aún se requiere de aquellos para la primera aceleración. Es necesario, por tanto, estudiar una manera más compacta de conseguir esos electrones acelerados hasta casi la velocidad de la luz, listos para entrar en el nuevo dispositivo.
En este sentido, un grupo investigador alemán, dirigido por
Peter Hommelhoff en la Universidad Friedrich Alexander y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, está colaborando con el SLAC para buscar una solución. Según publica la revista
Physical Review Letters, este equipo ya está experimentando con éxito en la utilización de un láser para acelerar los electrones de baja energía.
UsosLas utilidades de estos nuevos aceleradores de partículas irían mucho más allá de la investigación en física de partículas, según sus creadores. Los aceleradores láser podrían conducir a fuentes de rayos X portátiles que mejorarían la seguridad y atención médica. Además, se podrían obtener imágenes para uso médico en hospitales y laboratorios de una forma más económica médicas más económica, según dice la nota de prensa de SLAC.
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