Um caminho em direção a uma nova geração de aceleradores de partículas em miniatura

Pesquisadores do Berkley Lab mostram como feixes de várias cores e fases afetam plasmadescobrindo que a luz do laser não precisa ser tão precisa como se pensava anteriormente para acionar aceleradores de partículas em miniatura.

Fazer um acelerador de partículas de mesa ficou mais fácil. Um novo estudo mostra que certos requisitos para os lasers usados ​​em um tipo emergente de acelerador de partículas de pequena área podem ser significativamente relaxados. Os investigadores esperam que a descoberta possa trazer uma nova era de aceleradores que precisariam de apenas alguns metros para levar as partículas a grandes velocidades, em vez dos muitos quilómetros exigidos pelos aceleradores tradicionais. A pesquisa, de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), é apresentada como matéria de capa na edição especial de maio da Physics of Plasmas.

Aceleradores tradicionais, como o Grande Colisor de Hádrons, onde o bóson de Higgs foi recentemente descoberto, dependem de ondas de radiofrequência de alta potência para energizar os elétrons. O novo tipo de acelerador, conhecido como acelerador laser-plasma, usa pulsos de luz laser que atravessam uma sopa de partículas carregadas conhecida como plasma; o movimento do plasma resultante, que se assemelha a ondas na água, acelera os elétrons que viajam sobre as ondas a altas velocidades.

O problema, porém, é criar um pulso de laser poderoso o suficiente para competir com os grandes aceleradores. Em particular, os lasers precisam ter a capacidade de disparar pulsos de alta energia milhares de vezes por segundo. Os lasers atuais só conseguem gerenciar um pulso por segundo nos níveis de energia necessários.

“Se você quiser fazer um dispositivo que seja útil para física de partículas, para aplicações médicas, para aplicações de fontes de luz, você precisa de taxa de repetição”, explica Wim Leemans, físico do Berkeley Lab. Em janeiro de 2013, o DOE realizou um workshop sobre tecnologia laser para aceleradores. Na época, diz Leemans, a grande questão era como passar da tecnologia atual para a versão ampliada.

A sabedoria convencional afirma que muitos lasers menores, combinados de uma maneira particular, poderiam essencialmente criar um pulso ultrapoderoso. Em teoria, isto parece bom, mas os requisitos práticos para construir tal sistema parecem assustadores. Por exemplo, acreditava-se que a luz dos lasers menores precisaria ter uma correspondência precisa em cor, fase e outras propriedades para produzir o movimento de aceleração de elétrons dentro do plasma. “Achamos que isso era realmente desafiador”, diz Leemans, “pensamos: você precisa desse belo pulso de laser e tudo precisa ser feito corretamente para controlar o pulso de laser”.

Mas o novo estudo do Berkeley Lab descobriu que este não é o caso. Os coautores do artigo, Carlo Benedetti, Carl Schroeder, Eric Esarey e Leemans, queriam ver o que um pulso de laser errático realmente faria dentro de um plasma. Guiados pela teoria e usando simulações de computador para testar vários cenários, os pesquisadores observaram como feixes de várias cores e fases – basicamente uma mistura de luz laser – afetavam o plasma. Eles logo descobriram que, independentemente do feixe, o plasma não se importava.

“O plasma é um meio que responde a um laser, mas não responde imediatamente”, diz Benedetti, físico do Berkeley Lab. A luz está apenas operando em uma escala de tempo mais rápida e em uma escala de comprimento menor, explica ele. Todos os vários padrões de interferência e vários campos eletromagnéticos são compensados ​​no meio de plasma de resposta lenta. Em outras palavras, uma vez que a luz do laser entra no plasma, muitos dos problemas desaparecem.

“Como experimentalistas durante todos estes anos, estamos tentando fazer pulsos de laser perfeitos e talvez não precisássemos nos preocupar tanto”, diz Leemans. “Acho que isso terá um grande impacto na comunidade de laser e nos fabricantes de laser porque, de repente, eles pensarão em abordagens onde antes todos nós dissemos: 'Não, não, não. Você não pode fazer isso. Este novo resultado diz, bem, talvez você não precise ser tão cuidadoso.”

Leemans diz que a bola está de volta ao campo dos experimentalistas e dos construtores de laser para provar que a ideia pode funcionar. Em 2006, ele e sua equipe demonstraram um acelerador de plasma de três centímetros de comprimento. Enquanto um acelerador tradicional pode levar quilômetros para levar um elétron a 50 giga-elétron-volts (GeV), Leemans e sua equipe mostraram que um acelerador de plasma mini-laser poderia levar elétrons a 1 GeV em apenas três centímetros com um pulso de laser de cerca de 40 terawatts. . Para ir para energias de elétrons mais altas, em 2012, um laser maior e mais potente foi instalado nas instalações do Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) com um pulso de petawatt (1 quatrilhão de watts) que dura 40 femtossegundos, que agora está sendo usado em experimentos que visam na geração de um feixe de 10 GeV.

Ainda assim, o objetivo de um acelerador de plasma a laser de 10 GeV com alta taxa de repetição, que dispare mil pulsos ou mais por segundo, está a pelo menos cinco a dez anos de distância, diz Leemans. Mas um novo projeto chamado k-BELLA (k significa quilohertz) está em andamento e usará os princípios de fontes de luz laser combinadas e confusas para produzir pulsos de laser mais rápidos e mais poderosos. “Assim que sintetizarmos um pulso com taxas de repetição mais altas”, diz Leemans, “estaremos no caminho de um acelerador de plasma a laser Kilohertz GeV”.

Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science e utilizou as instalações do National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) localizado no Berkeley Lab.

Referência: “Campos de despertar de plasma impulsionados por uma combinação incoerente de pulsos de laser: Um caminho para aceleradores de plasma a laser de alta potência média” por C. Benedetti, CB Schroeder, E. Esarey e WP Leemans, 27 de maio de 2014, Física dos Plasmas.
DOI: 10.1063/1.4878620
arXiv: 1404.4669