Um acelerador de laser wakefield (LWFA) que guia seus feixes de laser ao longo de canais curvos enquanto acelera elétrons foi criado por Jie Zhang e colegas da Shanghai Jiao Tong University, na China. A nova técnica pode ser um passo fundamental para o desenvolvimento de alternativas compactas e baratas aos aceleradores de partículas convencionais.
Em um LWFA, um plasma denso é criado focalizando um intenso pulso de laser em um gás. À medida que se move através do gás, o pulso cria uma região de campos elétricos alternados – um “wakefield” – que se assemelha a uma onda de água que se forma na esteira de um barco em movimento.
Ao navegar nessas ondas, os elétrons dentro do plasma podem ser acelerados a energias muito altas em distâncias muito curtas. Como resultado, esta técnica é uma grande promessa para o desenvolvimento de aceleradores muito menores do que os sistemas convencionais. Esses dispositivos compactos seriam muito úteis para aplicações médicas e de pesquisa.
problemas de reinjeção
Para que os elétrons atinjam velocidades relativísticas, a aceleração deve acontecer várias vezes, com elétrons de um estágio LWFA sendo injetados no próximo. Isso não é fácil, como membro da equipe Min Chen explica, “uma vez que a esteira tem dezenas de micrômetros de tamanho e sua velocidade é muito próxima da velocidade da luz, a reinjeção de elétrons é extremamente difícil”. Embora alguns estudos recentes tenham alcançado a reinjeção usando técnicas como lentes de plasma, os pesquisadores conseguiram injetar apenas uma pequena fração de elétrons em um segundo estágio.
Em 2018, a equipe de Zhang e Chen introduziu uma nova abordagem, conforme descrito por Chen: “Em nosso esquema, os elétrons sempre viajam dentro de um canal de plasma reto, onde podem ser focados pelo campo de ativação do laser. O segundo laser fresco é então guiado por um canal de plasma curvo e fundido no canal reto, como uma rampa de rodovia.”
Ao permitir que os elétrons viajem ao longo de um estágio ininterrupto, em vez de injetá-los no início de cada novo estágio, essa abordagem permitiria aos pesquisadores reter muito mais partículas durante a aceleração.
Plasma oscilante
A princípio, o objetivo da equipe pode ter parecido ambicioso demais. Se um feixe estivesse ligeiramente fora do centro ao se fundir com o canal reto, poderia fazer com que o campo de plasma oscilasse – jogando os elétrons para fora de seus caminhos retos e diminuindo sua aceleração.
A equipe de Zhang abordou esse desafio variando a curvatura do canal, o que criou variações na densidade do plasma interno. Com a curvatura certa, eles descobriram que poderiam impedir que o posicionamento do feixe de laser oscilasse – de modo que, quando os elétrons fossem injetados na parte reta do canal, o campo de despertar resultante fosse estável o suficiente para acelerar as partículas a velocidades mais altas.
Novo acelerador de elétrons combina técnicas de laser e plasma wakefield
Por meio de seus últimos experimentos, os pesquisadores descobriram uma vantagem adicional de sua abordagem. “Descobrimos que, em alguns casos, o laser não apenas pode ser guiado, mas também pode gerar um campo de ativação dentro do canal curvo e acelerar elétrons”, explica Chen. “Normalmente, estes foram encontrados apenas em um canal de plasma direto. Isso significa que tanto o laser quanto os elétrons de alta energia podem ser guiados nesse canal de plasma curvo”.
A equipe acredita que seus primeiros resultados são um marco importante. “Nosso experimento mostra como os elétrons relativísticos podem ser guiados de forma estável por um canal de plasma curvo, que é a etapa crítica de nosso esquema de aceleração de wakefield em estágios”, diz Chen. “No futuro, esses canais poderão ser usados para aceleração de wakefield e guiamento de elétrons.”
Se eles puderem demonstrar um número maior de estágios de aceleração usando múltiplos canais curvos, a equipe de Zhang espera que as energias de teraelétron-volt possam um dia estar ao alcance dos LWFAs com apenas uma fração do tamanho e custo dos aceleradores de partículas modernos. “No momento, podemos dizer que nosso estudo resolve uma etapa crítica para a aceleração do campo de ativação do laser e mostra o potencial para uma fonte compacta de radiação síncrotron”, diz Chen.
A pesquisa é descrita em Physical Review Letters.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/
