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Aceleración láser de partículas para física de alta energía

Los haces de partículas de alta energía son de utilidad en la investigación científica básica y aplicada pero también en muchas otras aplicaciones.

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Por: Vicente Aboites

Los haces de partículas de alta energía son de utilidad en la investigación científica básica y aplicada pero también en muchas otras aplicaciones.

Se estima que, de los aceleradores de partículas del mundo, aproximadamente unos treinta mil, el uno por ciento son máquinas para investigación científica básica mientras que el cuarenta y cuatro por ciento son usados en aplicaciones médicas para radioterapia, el cincuenta por ciento tienen uso industrial para implantación de iones y procesamiento industrial y el restante cuatro por ciento son usados en investigación biomédica y otras investigaciones de baja energía.

Son instrumentos extremadamente útiles, pero de cierta complejidad.

Esencialmente un acelerador de partículas es una máquina que usa campos eléctricos y magnéticos para acelerar partículas a muy altas velocidades y energías para producir haces de partículas bien definidos.

El más grande acelerador del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) localizado en la frontera entre Suiza y Francia y operado por el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN).

Este instrumento acelera a dos haces de partículas que viajan en direcciones opuestas proporcionando a cada haz una energía de 6.5 Tera Electron Volts (TeV), por tanto, al colisionar frente a frente, la energía en el centro de masa de la colisión es del doble, o sea, 13 TeV.

El principio de operación de los primeros aceleradores de partículas consistía en hacer pasar un haz de partículas por el medio de anillos en donde el siguiente anillo se encontraba a un voltaje mayor que el anterior, de modo que la partícula era acelerada al pasar por el intenso campo eléctrico localizado entre cada par de anillos.

Desde luego, hay un límite máximo a la diferencia de voltaje que se puede establecer entre anillos, al alcanzar este límite máximo de voltaje salta una chispa entre los anillos y el acelerador deja de funcionar, en el vacío típico de un acelerador el rompimiento de aislamiento (insulation breakdown) ocurre al alcanzar algunos millones de voltios.

Sin embargo, la buena noticia es que dentro del campo electromagnético de un haz laser podemos encontrar campos eléctricos que son varias veces mayores y por tanto, en principio, el uso de láseres para acelerar partículas puede ser más eficiente que el uso de aceleradores convencionales.

Este es un tema de enorme importancia científica y tecnológica. Recientemente fue publicado (ver: E. Molnár et al. “Optimizing direct laser-driven electron acceleration and energy gain at ELI-NP”, The European Physical Journal D, 2020; 74 (12)) un trabajo estudiando el efecto del perfil transversal de un haz láser en el punto de focalización en el vacío sobre la energía adquirida por las partículas aceleradas.

Se considera que no es lejano el día en que los aceleradores de partículas para muchas aplicaciones médicas, biológicas y de física de estado sólido, estarán basados en el uso de láseres como medio de aceleración.

Esto permitirá tener instrumentos más compactos, esto debido a que los láseres modernos operan a través del bombeo a partir de otros láseres muy potentes y compactos de estado sólido semiconductor, el arreglo final será eficiente y pequeño, pero indudablemente también costoso.

Eventualmente será necesario valorar las ventajas operacionales y de confiabilidad de estos nuevos aceleradores comparados con la tecnología de los aceleradores que se han usado durante los últimos cien años.

No dudo que el resultado sea semejante a lo ocurrido a mediados del siglo pasado cuando los transistores semiconductores desplazaron y convirtieron en obsoletos por frágiles, voluminosos, poco confiables, costosos e ineficientes, a los triodos, pentodos y otros bulbos de vacío.

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