La aceleración del plasma es una técnica para acelerar partículas cargadas , como electrones o iones , utilizando el campo eléctrico asociado con la onda de plasma de electrones u otras estructuras de plasma de alto gradiente . Estas estructuras de aceleración del plasma se crean utilizando pulsos láser ultracortos o haces de partículas energéticas que se adaptan a los parámetros del plasma . La técnica ofrece una manera de construir aceleradores de partículas compactos y asequibles .
Una vez completamente desarrollada, la tecnología puede reemplazar muchos de los aceleradores tradicionales con aplicaciones que van desde la física de alta energía hasta aplicaciones médicas e industriales. Las aplicaciones médicas incluyen fuentes de luz de betatrones y electrones libres para diagnóstico o radioterapia y fuentes de protones para terapia de hadrones .
Los conceptos básicos de la aceleración del plasma y sus posibilidades fueron concebidos originalmente por Toshiki Tajima y John M. Dawson de UCLA en 1979. [1] Los diseños experimentales iniciales para un acelerador de "campo de vigilia" fueron concebidos en UCLA por Chandrashekhar J. Joshi et al. [2]
La instalación láser Texas Petawatt de la Universidad de Texas en Austin aceleró electrones a 2 GeV en aproximadamente 2 cm (1,6×10 21 g n ). [3] Este récord fue batido (más de dos veces) en 2014 por los científicos del Centro BELLA del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley , cuando produjeron haces de electrones de hasta 4,25 GeV. [4]
A finales de 2014, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC que utilizaron la Instalación para Pruebas Experimentales Avanzadas de Aceleradores (FACET) publicaron pruebas de la viabilidad de la tecnología de aceleración de plasma. Se demostró que podía lograr una transferencia de energía entre 400 y 500 veces mayor en comparación con un diseño de acelerador lineal general. [5] [6]
Actualmente está funcionando en el CERN un experimento de prueba de principio con un acelerador de campo de estela de plasma que utiliza un haz de protones de 400 GeV del Super Proton Synchrotron . [7] El experimento, denominado AWAKE , comenzó a realizarse a finales de 2016. [8]
En agosto de 2020, los científicos informaron sobre el logro de un hito en el desarrollo de aceleradores de plasma láser y demostraron su funcionamiento estable más prolongado: 30 horas. [9] [10] [11] [12] [13]
Un plasma consiste en un fluido de partículas cargadas positivas y negativas, generalmente creadas mediante calentamiento o fotoionización (directa / túnel / multifotón / supresión de barrera) de un gas diluido. En condiciones normales, el plasma será macroscópicamente neutro (o casi neutro), una mezcla igual de electrones e iones en equilibrio. Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico o electromagnético externo lo suficientemente fuerte, los electrones del plasma, que son muy ligeros en comparación con los iones de fondo (en un factor de 1836), se separarán espacialmente de los iones masivos creando un desequilibrio de carga en el espacio perturbado. región. Una partícula inyectada en tal plasma sería acelerada por el campo de separación de cargas, pero como la magnitud de esta separación es generalmente similar a la del campo externo, aparentemente no se gana nada en comparación con un sistema convencional que simplemente aplica el campo directamente a la partícula. Pero el medio plasma actúa como el transformador más eficiente (actualmente conocido) del campo transversal de una onda electromagnética en campos longitudinales de una onda de plasma. En la tecnología de aceleradores existente se utilizan diversos materiales diseñados apropiadamente para convertir campos de propagación transversales extremadamente intensos en campos longitudinales que pueden estimular las partículas. Este proceso se logra usando dos enfoques: estructuras de ondas estacionarias (como cavidades resonantes) o estructuras de ondas viajeras como guías de ondas cargadas en discos, etc. Pero la limitación de los materiales que interactúan con campos cada vez más altos es que eventualmente se destruyen a través de ionización y descomposición. Aquí, la ciencia del acelerador de plasma proporciona el avance para generar, sostener y explotar los campos más altos jamás producidos por la ciencia en el laboratorio.
El gradiente de aceleración producido por una estela de plasma es del orden del campo de ruptura de la onda, que es
En esta ecuación, es el campo eléctrico , es la velocidad de la luz en el vacío, es la masa del electrón , es la densidad de electrones del plasma (en partículas por unidad de volumen) y es la permitividad del espacio libre .
Lo que hace que el sistema sea útil es la posibilidad de introducir ondas con una separación de carga muy alta que se propagan a través del plasma de forma similar al concepto de onda viajera del acelerador convencional. De este modo, el acelerador bloquea en fase un grupo de partículas en una onda y esta onda de carga espacial cargada las acelera a velocidades más altas conservando las propiedades del grupo. Actualmente, las estelas de plasma se excitan mediante pulsos láser o haces de electrones con la forma adecuada. Los electrones del plasma son expulsados y alejados del centro de la estela por la fuerza ponderomotriz o los campos electrostáticos de los campos excitantes (electrones o láser). Los iones del plasma son demasiado masivos para moverse significativamente y se supone que son estacionarios en las escalas de tiempo de la respuesta de los electrones del plasma a los campos excitantes. A medida que los campos excitantes pasan a través del plasma, los electrones del plasma experimentan una fuerza de atracción masiva de regreso al centro de la estela por parte de la cámara, burbuja o columna de iones de plasma positivos que han permanecido posicionados allí, como estaban originalmente en el plasma no excitado. Esto forma una estela completa de un campo eléctrico longitudinal (acelerador) y transversal (enfocador) extremadamente alto. La carga positiva de los iones en la región de separación de carga crea un enorme gradiente entre la parte posterior de la estela, donde hay muchos electrones, y el centro de la estela, donde hay principalmente iones. Cualquier electrón entre estas dos áreas se acelerará (en el mecanismo de autoinyección). En los esquemas de inyección de haz externo, los electrones se inyectan estratégicamente para llegar a la región evacuada durante la máxima excursión o expulsión de los electrones del plasma.
Se puede crear una estela impulsada por un haz enviando un grupo relativista de protones o electrones a un plasma o gas apropiado. [14] En algunos casos, el gas puede ser ionizado por el haz de electrones, de modo que el haz de electrones crea el plasma y la estela. Esto requiere un haz de electrones con una carga relativamente alta y, por tanto, campos intensos. Los campos elevados del haz de electrones empujan los electrones del plasma fuera del centro, creando la estela.
De manera similar a una estela impulsada por un haz, se puede utilizar un pulso láser para excitar la estela de plasma. A medida que el pulso viaja a través del plasma, el campo eléctrico de la luz separa los electrones y los nucleones de la misma forma que lo haría un campo externo.
Si los campos son lo suficientemente fuertes, todos los electrones del plasma ionizado pueden eliminarse del centro de la estela: esto se conoce como "régimen de explosión". Aunque las partículas no se mueven muy rápidamente durante este período, macroscópicamente parece que una "burbuja" de carga se mueve a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz. La burbuja es la región libre de electrones que, por tanto, está cargada positivamente, seguida de la región donde los electrones vuelven al centro y, por tanto, está cargada negativamente. Esto conduce a una pequeña área de gradiente de potencial muy fuerte después del pulso del láser.
En el régimen lineal, los electrones del plasma no se eliminan por completo del centro de la estela. En este caso, se puede aplicar la ecuación de onda de plasma lineal. Sin embargo, la estela parece muy similar al régimen de explosión y la física de la aceleración es la misma.
Es este "campo de vigilia" el que se utiliza para la aceleración de partículas. Una partícula inyectada en el plasma cerca del área de alta densidad experimentará una aceleración hacia (o alejándose) de ella, una aceleración que continúa a medida que el campo de estela viaja a través de la columna, hasta que la partícula finalmente alcanza la velocidad del campo de estela. Se pueden alcanzar energías incluso más altas inyectando la partícula para que viaje a través de la superficie del campo de estela, de la misma manera que un surfista puede viajar a velocidades mucho más altas que la ola sobre la que surfea al cruzarla. A los aceleradores diseñados para aprovechar esta técnica se les ha denominado coloquialmente "surfatrones".
La aceleración de Wakefield se puede clasificar en varios tipos según cómo se forma la onda de plasma del electrón:
Algunos experimentos son [16] :
La aceleración de iones basada en láser-objetivo sólido se ha convertido en un área activa de investigación, especialmente desde el descubrimiento de la aceleración de vaina normal del objetivo (TNSA). [17] Este nuevo esquema ofrece mejoras adicionales en la terapia con hadrones , [18] la ignición rápida por fusión [19] y fuentes para la investigación fundamental. [20] Sin embargo, las energías máximas alcanzadas hasta ahora con este esquema son del orden de 100 MeV. [21]
El principal esquema de aceleración de láser-sólido es la Aceleración de vaina normal objetivo, TNSA, como se la conoce habitualmente. TNSA, al igual que otras técnicas de aceleración basadas en láser, no es capaz de acelerar directamente los iones. Más bien, es un proceso de varios pasos que consta de varias etapas, cada una con su dificultad asociada para modelar matemáticamente. Por esta razón, hasta el momento no existe ningún modelo teórico perfecto capaz de producir predicciones cuantitativas para el mecanismo TNSA. [20] Las simulaciones de partículas en celda generalmente se emplean para lograr predicciones de manera eficiente.
El esquema emplea un objetivo sólido que interactúa primero con el prepulso del láser, esto ioniza el objetivo convirtiéndolo en plasma y provocando una preexpansión del frente del objetivo. Lo que produce una región de plasma poco densa en la parte frontal del objetivo, el llamado preplasma. Una vez que el pulso láser principal llega al frente del objetivo, se propagará a través de esta región poco densa y se reflejará desde la superficie frontal del objetivo y se propagará hacia atrás a través del preplasma. A lo largo de este proceso, el láser calentó los electrones en la región poco densa y los aceleró mediante calentamiento estocástico. [22] Este proceso de calentamiento es increíblemente importante, ya que producir poblaciones de electrones a alta temperatura es clave para los siguientes pasos del proceso. La importancia del preplasma en el proceso de calentamiento de electrones se ha estudiado recientemente, tanto teórica como experimentalmente, mostrando cómo los preplasmas más largos conducen a un calentamiento de electrones más fuerte y una mejora en TNSA. [23] Los electrones calientes se propagan a través del objetivo sólido y salen por la parte trasera. Al hacerlo, los electrones producen un campo eléctrico increíblemente fuerte, del orden de TV/m, [20] mediante la separación de cargas. Este campo eléctrico, también llamado campo de vaina debido a su parecido con la forma de la vaina de una espada, es responsable de la aceleración de los iones. En la cara trasera del objetivo hay una pequeña capa de contaminantes (normalmente hidrocarburos ligeros y vapor de agua). Estos contaminantes son ionizados por el fuerte campo eléctrico generado por los electrones calientes y luego acelerados. Lo que conduce a un haz de iones energético y completa el proceso de aceleración.
El responsable del rápido y puntiagudo frente iónico del plasma en expansión es un proceso de ruptura de ondas iónicas que tiene lugar en la fase inicial de la evolución y se describe mediante la ecuación de Sack-Schamel . [24]
La ventaja de la aceleración del plasma es que su campo de aceleración puede ser mucho más fuerte que el de los aceleradores de radiofrecuencia (RF) convencionales . En los aceleradores de RF, el campo tiene un límite superior determinado por el umbral de ruptura dieléctrica del tubo de aceleración. Esto limita la cantidad de aceleración en cualquier longitud determinada, lo que requiere aceleradores muy largos para alcanzar altas energías. Por el contrario, el campo máximo en un plasma está definido por cualidades mecánicas y turbulencias, pero generalmente es varios órdenes de magnitud más fuerte que en los aceleradores de RF. Se espera poder crear un acelerador de partículas compacto basado en técnicas de aceleración de plasma o construir aceleradores de energía mucho mayor, si es posible realizar aceleradores largos con un campo de aceleración de 10 GV/m.
Los dispositivos experimentales actuales muestran gradientes de aceleración varios órdenes de magnitud mejores que los aceleradores de partículas actuales en distancias muy cortas, y aproximadamente un orden de magnitud mejores (1 GeV /m [25] frente a 0,1 GeV/m para un acelerador de RF [26] ) en el escala de un metro.
Por ejemplo, un acelerador de plasma láser experimental en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley acelera electrones a 1 GeV en aproximadamente 3,3 cm (5,4×10 20 g n ), [27] y un acelerador convencional (acelerador de mayor energía electrónica) en SLAC requiere 64 m para alcanzar la misma energía. De manera similar, utilizando plasmas se logró una ganancia de energía de más de 40 GeV usando el haz SLAC SLC (42 GeV) en solo 85 cm utilizando un acelerador de plasma wakefield (8,9×10 20 g n ). [28]
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