High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

Para compreender o trabalho aqui descrito, é necessário primeiro compreender o desafio básico da física de partículas moderna: como fazer com que partículas minúsculas se movam incrivelmente rápido. Durante décadas, cientistas têm utilizado máquinas massivas, muitas vezes com quilômetros de extensão, para impulsionar elétrons a altas velocidades. Estas máquinas utilizam ondas de rádio para dar um "coice" às partículas, mas a força que podem aplicar é limitada. Se tentar empurrar com muita força num espaço curto, a máquina quebra ou torna-se ineficiente. Isto manteve o tamanho e o custo destes aceleradores enormes, limitando quem pode utilizá-los e o que podem fazer.

Uma abordagem diferente, conhecida como aceleração por campo de wake de laser (laser wakefield acceleration), oferece uma forma de reduzir estas máquinas ao tamanho de uma sala. Em vez de ondas de rádio, este método utiliza um pulso intenso de luz laser disparado para um gás. O laser é tão poderoso que arranca eletrões dos átomos de gás, criando um plasma. À medida que o pulso do laser se desloca através deste plasma, ele empurra os eletrões para o lado, criando um rastro (wake) atrás dele, tal como o rastro de um barco a mover-se através da água. Este rastro cria um campo elétrico poderoso que pode capturar outros eletrões e acelerá-los a altas velocidades numa distância muito curta. A chave para fazer isto funcionar bem é manter o feixe de laser focado e forte à medida que ele viaja através do gás. Se o feixe se dispersar, a aceleração para. Durante muito tempo, manter um feixe tão poderoso focado ao longo de uma longa distância foi difícil e instável, exigindo frequentemente configurações complexas que eram difíceis de manter ou que poderiam ser danificadas pelo próprio laser.

Investigadores da instalação ELI Beamlines, na República Checa, trabalhando com colegas da Universidade de Maryland, demonstraram agora uma nova forma de resolver este problema de foco. Eles construíram uma configuração experimental que utiliza apenas espelhos para guiar o laser, evitando qualquer vidro ou lentes que possam ser danificados ou distorcidos pelo calor do poderoso feixe. O núcleo da sua inovação é um cone refletivo especial, chamado axicon fora de eixo (off-axis axicon), que ajuda a moldar o feixe de laser antes de este entrar no gás. Esta configuração permitiu-lhes criar um canal estável em gás hélio, uma alternativa segura e fácil de manusear ao hidrogénio frequentemente utilizado em experiências semelhantes.

Nos seus experiências, a equipa disparou um pulso de laser com uma duração de apenas 30 femtossegundos — uma escala de tempo tão curta que é difícil de imaginar — transportando 13 joules de energia. Eles dividiram este pulso em duas partes. Uma parte, o driver principal, foi focada para acelerar os eletrões. A outra parte foi moldada num padrão especial em forma de anel para criar um canal pré-formado no gás hélio. Este canal atuou como um tubo oco para o pulso de laser principal, mantendo-o estritamente focado enquanto viajava através do gás. Os investigadores testaram este sistema a duas velocidades diferentes. A uma taxa mais lenta de 0,2 disparos por segundo, aceleraram com sucesso eletrões a energias de cerca de 5 biliões de elétron-volts. Este é um feito significativo, mostrando que o método pode produzir feixes de alta energia numa única etapa.

A equipa também levou o sistema a operar a uma taxa muito mais rápida de 3,3 disparos por segundo. Embora não tenham medido a aceleração de eletrões nesta velocidade mais alta da mesma forma, provaram que o feixe de laser podia ser guiado de forma estável através do canal de plasma durante longos períodos sem que o sistema se degradasse. Isto é um passo crucial para tornar estes aceleradores práticos para o uso quotidiano, pois taxas de repetição mais elevadas significam mais dados e mais feixes utilizáveis. O uso de hélio foi uma escolha deliberada; ao contrário do hidrogénio, que é inflamável e requer manuseamento cuidadoso, o hélio é inerte e mais seguro para trabalhar numa instalação que opera continuamente.

Os resultados mostram que esta abordagem totalmente reflexiva é robusta. Ao utilizar espelhos em vez de lentes, os investigadores evitaram as distorções térmicas que frequentemente assolam sistemas de laser de alta potência. Eles descobriram que os feixes de eletrões produzidos eram estáveis na direção e tinham baixa dispersão, o que significa que as partículas permaneciam juntas num grupo apertado. A energia dos eletrões atingiu até 5 biliões de elétron-volts, o que é consistente com o que a teoria prevê para estas condições. A equipa notou que o processo dependia de um tempo específico entre os dois pulsos de laser para criar o canal logo antes da chegada do pulso principal, um equilíbrio delicado que o seu sistema conseguiu manter disparo após disparo.

Este trabalho não pretende afirmar que resolveu todos os problemas da aceleração de partículas, mas fornece um caminho claro a seguir. O método é suficientemente simples para não exigir mudanças profundas nas instalações de laser existentes, tornando-o acessível para que outros centros de investigação o adotem. Ao provar que a aceleração estável e de alta energia é possível com um gás seguro e uma configuração ótica durável, os investigadores removeram várias barreiras que têm travado a tecnologia. Os resultados sugerem que futuros aceleradores poderão ser construídos para serem menores, mais seguros e mais fiáveis, abrindo potencialmente as portas para novas aplicações na medicina e na ciência dos materiais, bem como para novas descobertas na física fundamental. O sucesso deste experimento reside não num único avanço dramático, mas na demonstração constante de que um problema difícil pode ser resolvido com um design simples e durável.