Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

En el vasto e invisible mundo de las partículas subatómicas, los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de crear potentes haces de electrones utilizando la propia luz. Durante décadas, el método estándar consistió en disparar un láser hacia una nube de gas para crear una onda, muy parecida a un bote moviéndose a través del agua, que luego atrapa y acelera electrones a velocidades increíbles. Este proceso, conocido como aceleración por campo de estela de láser (laser-wakefield acceleration), ha sido una herramienta prometedora para generar partículas de alta energía sin la necesidad de máquinas masivas del tamaño de una habitación. Sin embargo, un desafío persistente ha sido equilibrar la energía de estas partículas con la enorme cantidad de ellas. Experimentos anteriores podían producir electrones muy energéticos o una gran cantidad de ellos, pero rara vez ambas cosas a la vez. Esta limitación ha mantenido fuera del alcance de laboratorios más pequeños muchas aplicaciones potenciales, como la creación de intensos estallidos de rayos X para imágenes médicas o el estudio de las condiciones extremas que se encuentran dentro de las estrellas.

Un equipo de investigadores en la instalación Laser Mégajoule en Francia ha demostrado ahora una forma de superar este compromiso, generando haces de electrones que son increíblemente numerosos y altamente energéticos. Mediante el uso de un pulso de láser especializado y ultra potente enfocado sobre un chorro supersónico de gas helio, los científicos crearon un entorno único donde dos mecanismos de aceleración diferentes trabajaron juntos. El resultado fue un haz de electrones que transporta una carga total que supera con creces todo lo logrado anteriormente en este tipo de configuración, con partículas individuales alcanzando energías de hasta 500 millones de electronvoltios. Cuando estos electrones fueron lanzados contra un grueso objetivo de metal, produjeron un destello de rayos X duros tan intenso que transportaba la energía equivalente a varios Julios en una fracción de segundo. Este logro sugiere que las fuentes de partículas compactas y de alta potencia se están convirtiendo en una realidad, abriendo nuevas puertas para sondear los estados más densos de la materia y crear fuentes de radiación secundaria para el estudio científico avanzado.

El experimento tuvo lugar en el Laser Mégajoule, una instalación masiva en Francia diseñada para estudiar la física de alta densidad de energía. Los investigadores utilizaron un sistema de láser específico llamado PETAL, que entrega un pulso de luz que dura menos de un billonésima de segundo pero que concentra suficiente potencia como para rivalizar con la producción de una gran central eléctrica. En lugar de golpear un bloque sólido de metal, el láser se enfocó en una corriente de gas helio que se mueve a velocidades supersónicas. A medida que el intenso pulso de láser viajaba a través de este gas, despojaba a los átomos de helio de sus electrones, creando un plasma. La fuerza pura del láser desplazó los electrones del plasma, creando una estela detrás de él, similar a la estela que deja una lancha motora. En esta estela, se formaron campos eléctricos intensos, listos para atrapar y acelerar cualquier electrón libre que encontraran.

Lo que hizo que este experimento fuera distinto fue la temporización e intensidad específicas del pulso del láser. El pulso fue lo suficientemente largo, durando unos 700 femtosegundos, para interactuar con el plasma de una manera compleja. En lugar de simplemente empujar los electrones en una línea única y ordenada, el pulso del láser comenzó a fragmentarse y oscilar a medida que se movía a través del gas. Esta automodulación creó un entorno caótico pero altamente efectivo donde dos tipos de aceleración ocurrieron simultáneamente. El primero fue la aceleración tradicional por campo de estela, donde los electrones surfeaban la onda del plasma. El segundo fue la aceleración directa por láser, donde los electrones fueron atrapados en el campo eléctrico oscilante de la propia luz del láser y ganaron energía directamente de ella. La combinación de estas dos fuerzas permitió a los investigadores atrapar y acelerar una enorme cantidad de electrones a velocidades relativistas, logrando una carga total de más de un microcoulomb. Esta es una cantidad récord para este tipo de sistema impulsado por láser, según el conocimiento de los investigadores.

Para medir lo que habían creado, el equipo colocó una serie de detectores en la trayectoria del haz de electrones. Un dispositivo, ubicado a seis metros de distancia, utilizó un campo magnético para desviar los electrones y separarlos por energía, permitiendo a los científicos ver todo el rango de velocidades en el haz. Descubrieron que los electrones tenían una distribución amplia de energías, con un número significativo alcanzando hasta 500 MeV. Otro detector, colocado directamente en la trayectoria del haz, midió el número total de electrones. Los datos mostraron que el haz transportaba una carga de 1.1 microcoulombs, un valor que nunca antes se había alcanzado en un acelerador de estela de láser. Los investigadores confirmaron estas mediciones con simulaciones computacionales detalladas que modelaron las interacciones entre el láser y el plasma, mostrando que los resultados experimentales coincidían con sus predicciones teóricas.

El verdadero poder de este haz de electrones se demostró cuando se dirigió hacia una pila de placas metálicas hechas de indio, hierro y circonio. Cuando los electrones de alta velocidad golpearon estos metales pesados, se frenaron rápidamente, liberando su energía en forma de un estallido de rayos X duros. Este proceso, conocido como Bremsstrahlung, convirtió la energía cinética de los electrones en un haz de fotones. El destello de rayos X resultante fue increíblemente intenso, transportando una energía total de aproximadamente 3.3 Julios en un pulso más corto que un picosegundo. Esto representa una eficiencia de conversión de casi el dos por ciento de la energía del láser a la energía de los rayos X, una cifra que rivaliza o supera récords previos. Los rayos X producidos eran de una energía lo suficientemente alta como para penetrar materiales densos, lo que los hace adecuados para técnicas de imagen avanzadas.

La importancia de este trabajo radica en su capacidad para producir haces de alta carga y alta energía en un entorno compacto. Los investigadores demostraron que, ajustando cuidadosamente el láser y el objetivo de gas, podían aprovechar la naturaleza caótica del plasma a su favor en lugar de luchar contra ella. El haz de electrones que generaron no es solo una curiosidad científica; es una herramienta práctica. Tales haces pueden usarse para crear fuentes secundarias de radiación, como neutrones o rayos gamma, que son esenciales para la investigación en física nuclear y para estudiar el comportamiento de la materia bajo presiones y temperaturas extremas. Además, la capacidad de generar estos haces con un sistema de láser integrado en una instalación más grande como el Laser Mégajoule significa que los científicos ahora pueden usar estos haces de electrones para sondear la materia que ha sido comprimida y calentada por otros haces de láser potentes, ofreciendo una nueva forma de estudiar la física de las estrellas y los núcleos planetarios en el laboratorio.

El equipo también tuvo mucho cuidado en comprender exactamente cómo se distribuía la energía dentro del haz. Mientras que las mediciones en el eje mostraron una energía media alta, las simulaciones por computadora revelaron que el haz se dispersaba significamente a medida que viajaba. Los electrones en el centro del haz eran los más energéticos, mientras que los de los bordes tenían energías más bajas. Al contabilizar esta dispersión, los investigadores calcularon que la energía total transportada por todo el haz era de alrededor de 17 Julios. Esta visión integral, combinando datos experimentales con un modelado sofisticado, les dio una imagen clara de las propiedades del haz y confirmó que el mecanismo de aceleración era un híbrido de los dos procesos que sospechaban. El éxito de este experimento sugiere que las futuras mejoras del sistema de láser, como mejorar el enfoque del haz, podrían elevar aún más estas eficiencias de conversión.

Este logro marca un paso adelante en el campo de la aceleración de plasma por láser, acercándola a la aplicación práctica. La capacidad de generar haces de electrones a nivel de microcoulomb y rayos X de varios Julios en un solo disparo proporciona una nueva capacidad para los científicos que necesitan fuentes de radiación intensas y de corta duración. Los investigadores demostraron que la compleja interacción entre la aceleración de estela modulada por sí misma y la aceleración directa por láser puede controlarse para producir resultados fiables y de alto rendimiento. A medida que estas técnicas se perfeccionen y se integren en instalaciones más grandes, prometen permitir nuevos experimentos en astrofísica, ciencia nuclear y la investigación de materiales, permitiendo a la humanidad observar más profundamente los mecanismos fundamentales del universo. El camino desde un chorro de plasma caótico hasta un haz de alta energía controlado es ahora más claro, allanando el camino para la próxima generación de fuentes de partículas.