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Avances en la aceleración del campo de vigilia para positrones.

noviembre 11, 2018
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Se sabe que la materia existe en cuatro estados diferentes: sólido, líquido, gas o, en circunstancias como las temperaturas muy altas, el plasma. Un plasma es un gas ionizado, un gas con suficiente energía que algunos de sus átomos han perdido sus electrones, y esos electrones con carga negativa están flotando junto con los núcleos ahora cargados positivamente que dejaron atrás.

Si envía dos manojos de partículas a toda velocidad a través del plasma a una distancia de un pelo, el primero crea una estela que alimenta al segundo con energía. Esa es la idea básica detrás de una poderosa tecnología en desarrollo llamada aceleración de campo de plasma, que promete hacer que los futuros colisionadores de partículas sean más compactos y asequibles.

Tres estudios recientes han avanzado en los esfuerzos de los físicos aceleradores por diseñar un potente colisionador de antimateria de materia futura con tecnología de campo de vigilia de plasma.

El acelerador de partículas más poderoso del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones, que mide alrededor de 17 millas de circunferencia y cuesta más de $ 4 mil millones para construir. Para obtener colisiones de partículas de mayor energía que podrían mejorar nuestra comprensión de los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza, los aceleradores deben aumentar convencionalmente en tamaño y costo.

Pero la aceleración del campo de vigilia de plasma, también conocida como PWFA, podría contrarrestar esa tendencia. Ya se ha demostrado que la tecnología aumenta significativamente la energía obtenida por las partículas aceleradas en distancias más cortas.

“Con la aceleración del campo de activación de plasma, estamos tratando de hacer algo análogo a hacer mejores chips de computadora: los teléfonos en nuestros bolsillos ahora pueden hacer lo mismo que los campos de fútbol de las computadoras antes”, explica el investigador de PWFA Carl Lindstrøm de la Universidad de Oslo.

Un acelerador de campo de plasma podría lograr en solo unos metros lo que necesita el acelerador lineal de cobre en el Laboratorio de Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía de EE. UU.

“De todos los mecanismos de aceleración de partículas conocidos, los plasmas proporcionan la mayor cantidad de energía obtenida en una distancia establecida, lo que se conoce como gradiente de aceleración”, dice Spencer Gessner, un físico acelerador en el CERN y anteriormente SLAC. “Ya hemos demostrado gradientes que son casi 10,000 veces más grandes que las cavidades de radiofrecuencia convencionales utilizadas en el acelerador lineal actual de SLAC”.

Si tiene éxito, PWFA podría aumentar dramáticamente la energía de un futuro colisionador lineal en la misma huella, o hacer posible construir un colisionador más pequeño. “Es poco probable que construyas toneladas de estas máquinas, ya que consumen mucha energía”, explica Gessner. “Pero si incluso existiera uno, sería una gran mejora respecto de dónde estamos hoy”.

El problema con los positrones.

Las colisiones más limpias para la investigación de la física de partículas se producen aplastando electrones y positrones. Eso es porque tanto los electrones como los positrones son partículas fundamentales; no se pueden dividir en partes más pequeñas. Y es porque los electrones y los positrones son un par de materia-antimateria; cuando chocan, se aniquilan mutuamente y se convierten limpiamente en nuevas partículas y energía, sin dejar el desorden de partículas sobrantes.

Los colisionadores de positrones electrónicos del pasado produjeron numerosos conocimientos en física de partículas, incluidos los descubrimientos de quarks ganadores del Premio Nobel, el tau leptón y el mesón J / psi (co-descubierto con científicos que usan un acelerador de protones). Estas colisiones también se prefieren en el diseño de las máquinas de descubrimiento de la próxima generación, incluidos los aceleradores de campo de plasma.

El problema es con los positrones.

Mientras que los electrones pueden acelerarse como un grupo de partículas estrechamente enfocadas en la estela de plasma, los grupos de positrones tienden a perder su forma compacta y su enfoque en el entorno de plasma. Los científicos de PWFA se refieren a esta diferencia como asimetría, y la investigación más reciente explora estrategias para superarla.

“Para los electrones, la aceleración del campo de luz de plasma logra las dos cosas que necesitamos para construir las máquinas que nos gustaría construir: aceleran rápidamente y mantienen su calidad”, dice Lindstrøm. “Es simplemente desafortunado, en realidad, que lo mismo no sea cierto para los positrones, y ese es el gran desafío al que nos enfrentamos”.

Ola contra tsunami

Un acelerador convencional acelera las partículas utilizando cavidades de radiofrecuencia. Las cavidades de RF a menudo parecen series de cuentas en una línea recta de cuerda. Las ondas electromagnéticas se acumulan dentro de las cavidades de RF para que cambien continuamente de positivo a negativo y regresen. Los científicos envían partículas cargadas a través de las cavidades de RF, donde reciben una serie de empujes y tirones de la onda electromagnética, ganando velocidad y energía a lo largo del camino.

La onda de aceleración en un acelerador convencional varía de manera regular y predecible, lo que facilita la colocación de electrones o positrones en la ubicación correcta para obtener un impulso.

Por otro lado, el plasma crea lo que los científicos denominan un entorno “no lineal”: uno que es difícil de predecir matemáticamente porque no existe una variación uniforme.

“Cuando envíes un rayo muy fuerte al plasma, causará algo como un tsunami, haciendo que todas tus ecuaciones sean inválidas”, explica Gessner. “Ya no se trata simplemente de perturbar el océano, se está rehaciendo por completo”.

Este entorno de plasma no lineal ofrece gradientes de aceleración y enfoque altos para los electrones, pero el efecto sobre los positrones es más peligroso: aunque los experimentos han demostrado la aceleración de los positrones en el plasma, la calidad del haz no puede mantenerse.

Según Gessner, hay dos formas de abordar el desafío de la asimetría: “Podemos aceptar la asimetría y ver dónde nos lleva, aunque esto resulta ser muy complicado. O podemos intentar crear simetría, por ejemplo, creando un canal hueco dentro del plasma donde el enfoque ya no sea un problema “.

Aprendiendo de los obstáculos

Durante los últimos años, los científicos que trabajan en la Instalación de SLAC para Pruebas Experimentales de Aceleradores Avanzados, o FACET, han realizado una serie de estudios sobre la aceleración de positrones en plasma. En 2015, un equipo compuesto por investigadores de SLAC y UCLA aceleró la antimateria en una estela de plasma utilizando solo un grupo de positrones. La cola de ese grupo fue alimentada por la estela creada por la cabeza.

La aceleración de positrones de un solo manojo podría potencialmente usarse en un “posquemador” basado en plasma para aceleradores de RF existentes o futuros. Se podría agregar una estructura de acelerador de plasma al final de un acelerador lineal para aumentar la energía sin tener que hacerlo por mucho más tiempo.

Sin embargo, un acelerador PWFA completo tendría que ser construido con muchas estructuras de acelerador consecutivas que requieren un grupo separado de positrones de positrones.

Mark Hogan de SLAC, que ha estado estudiando PWFA durante más de dos décadas, explica: “Con un solo grupo, estás perdiendo en una mitad y ganando en la otra. Para cuando pase a través de múltiples células plasmáticas, no quedarán partículas porque siempre estará dividiendo el grupo por la mitad. Tendrías que comenzar con una enorme cantidad de partículas “.

En octubre de 2017, los investigadores comenzaron a investigar técnicas que podrían funcionar para múltiples células plasmáticas y pudieron acelerar un grupo distinto de positrones utilizando PWFA.

“Utilizamos por primera vez un haz de positrones denso y fuerte para acelerar un grupo separado de positrones al final”, dice el primer autor del artículo en NInformes científicos, Antoine Doche de Paris-Saclay University. “Este fue un paso importante y necesario para los futuros colisionadores”.

En el mismo estudio, los científicos demostraron que podrían acelerar los positrones en una onda “cuasilineal”, lo que demuestra que el grupo impulsor no necesariamente tiene que ser positrones: los electrones o un controlador láser pueden crear una estela similar para los positrones que se arrastran.

El estudio abre caminos prometedores para explorar el primer enfoque, abarcando el problema con positrones, aunque persisten los desafíos técnicos.

“Los coleccionistas requieren haces de partículas con propiedades muy específicas”, explica Doche, “carga alta, que significa muchas partículas en cada manojo, y un tamaño de manojo pequeño. Cuando un haz de positrones impulsa una onda de plasma, la onda evoluciona hacia un régimen no lineal, tanto más rápidamente a medida que aumenta la carga del racimo. Una solución podría ser comprender mejor estas ondas no lineales impulsadas por positrones “.

Rodando de una colina

En 2016, el equipo de investigación eliminó el problema de la asimetría al crear un tubo estrecho de plasma con gas neutro en el interior, donde los positrones se mantuvieron bien enfocados mientras volaban. Esa misma investigación mostró que el haz de positrones creó una estela energética que podría acelerar un montón de positrones, y en los últimos experimentos, el equipo logró esta aceleración de dos grupos en lo que ellos llaman el “canal hueco”.

Si bien el enfoque del canal hueco evita el problema de la asimetría, trae sus propios obstáculos.

“Si la viga no está perfectamente alineada en el tubo, comenzará a desviarse hacia el lado que está desplazado”, dice Lindstrøm. “Es como poner una pelota en una colina: si está ligeramente hacia un lado, rodará hacia ese lado. Es un efecto que llamamos campo de vigas transversales, y es algo que se ha visto en aceleradores anteriores como un efecto débil. Pero aquí, porque tenemos un tubo de plasma muy, muy estrecho, el efecto crece muy rápido. Nuestra última investigación midió y verificó que el efecto es muy fuerte “.

Cuando los positrones se desvían del eje a través de este efecto, el rayo se pierde.

“Los estudios más recientes verifican dónde estamos actualmente, con este gran desafío frente a nosotros”, dice Lindstrøm. “Pero en el proceso de llegar allí, aprendimos mucho sobre cómo funciona esta tecnología”.

Gessner está de acuerdo: “Estudiamos el problema, vemos qué tan bien podemos hacer que funcione, e identificamos los obstáculos más difíciles”. Y luego volvemos al tablero de dibujo “.

Señales alentadoras

A pesar de los desafíos, el impulso internacional para lograr aceleradores de alta energía basados ​​en plasma está creciendo.

En las hojas de ruta de investigación, tanto el DOE como el Comité Internacional para Aceleradores Futuros han incluido la aceleración de positrones en plasma como una meta para la próxima década. Gessner y Sebastien Corde, un investigador de PWFA de la Universidad de París-Saclay, dirigen un grupo de trabajo sobre la aceleración de positrones en plasma que se encarga de hacer recomendaciones para la Estrategia Europea para la Física de Partículas.

Desde los primeros experimentos, SLAC ha sido el único laboratorio del mundo con la infraestructura necesaria para proporcionar haces de positrones para la investigación de PWFA. FACET operó de 2011 a 2016 como una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Y el DOE recientemente dio luz verde a su actualización, FACET-II, que se pondrá en marcha para los experimentos en 2020.

Si bien FACET-II inicialmente operará solo con electrones, su diseño permite agregar capacidad para producir y acelerar positrones en el futuro.

“Estamos en un punto en el que la gente está tomando este conocimiento que hemos acumulado en este campo y descubriendo qué hacer a continuación. “Podemos tomar uno de estos enfoques, como el canal hueco, y hacerlo más tolerante”, dice Hogan. “Hay muchas cosas que las personas deben mirar y estudiar para seguir adelante”.