Record mundial alcançado em acelerador de partículas compacto

Usando um dos lasers mais poderosos do mundo, pesquisadores têm acelerado partículas subatômicas para as energias mais altas já registradas por um acelerador compacto. A equipe, do Departamento de Energia do Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) dos Estados Unidos, usou um laser petawatt especializado e um gás carregado de partículas de plasma para fazer partículas atingirem altas velocidade.
O experimento é conhecido como um acelerador de plasma-laser, uma classe emergente de aceleradores de partículas que os físicos acreditam que pode encolher os tradicionais aceleradores que possuem quilômetros de comprimento a máquinas que podem caber em uma mesa.

 Pesquisadores elevam nível de energia do acelerador plasma-laser ao “máximo” 

Os pesquisadores aceleraram as partículas – de elétrons neste caso – no interior de um tubo de plasma de nove centímetros de comprimento. A velocidade corresponde a uma energia de 4,25 volts giga-elétron. A aceleração sobre uma distância tão curta que corresponde a um gradiente de energia mil vezes maior do que os aceleradores de partículas tradicionais e marca uma energia recorde mundial para aceleradores plasma-laser. “Este resultado exige controle requintado sobre o laser e o plasma,” afirma o Dr. Wim Leemans, diretor da Accelerator Technology and Applied Physics Division do Berkeley Lab e principal autor do artigo. Os resultados aparecem na edição mais recente da revista Physical Review Letters. Aceleradores de partículas tradicionais, como o Large Hadron Collider do CERN, que possui 17 quilômetros de circunferência, aceleram as partículas através da modulação de campos elétricos dentro de uma cavidade metálica. É uma técnica que tem um limite de cerca de 100 mega-elétrons volts por metro antes do metal quebrar. 

 Luz a laser é colocada em tubo que contém plasma 

Aceleradores de plasma-laser tem uma abordagem completamente diferente. No caso desta experiência, um impulso de luz a laser é injetado em um tubo curto e fino que contém plasma. O laser cria um canal através do plasma, bem como ondas que capturam elétrons livres e os aceleram a energias elevadas. É parecido com a maneira que um surfista ganha velocidade deslizando para baixo de uma onda. As energias recordes foram alcançadas com a ajuda do BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator), um dos lasers mais poderosos do mundo. O BELLA, produz um quatrilhão de watts de potência (um petawatt), e começou a ser operado no ano passado. “É uma conquista extraordinária para Dr. Leemans e sua equipe, produzir este resultado recorde em sua primeira campanha operacional com Bella,” diz o Dr. James Symons, diretor associado do laboratório de Ciências Físicas do Berkeley Lab. Além de produzir um perfurador de alta potência, o BELLA é conhecido pela sua precisão e controle. “Nós estamos forçando este feixe de laser em um buraco de 500 microns a cerca de 14 metros de distância”, diz Leemans. “O feixe de laser do BELLA tem estabilidade suficientemente elevada para nos permitir essa utilização.” Além disso, Leemans afirma que, o impulso de laser que dispara uma vez por segundo, é estável para na faixa de uma fração de um por cento. “Com um vários lasers, isso nunca poderia acontecer”, acrescenta. Trabalhando com altas energias, os pesquisadores precisaram verificar como parâmetros diferentes iriam afetar o resultado. Então eles usaram simulações de computador da National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) para testar a configuração antes mesmo de ligar o laser. “Pequenas mudanças na configuração causam grandes perturbações”, afirma Eric Esarey, conselheiro científico sênior da Accelerator Technology and Applied Physics Division do Berkeley Lab, que lidera o esforço da teoria. A fim de acelerar elétrons a energias ainda mais altas – a meta de curto prazo de Leemans é de 10 volts giga-elétron – os pesquisadores terão de controlar com mais precisão a densidade do canal de plasma através do qual passam os fluxos de laser. Em essência, os pesquisadores precisam criar um túnel para que o pulso de luz passe (que é a única forma correta de lidar com os elétrons mais energéticos). Leemans diz que o trabalho futuro vai demonstrar uma nova técnica para a formação de canal de plasma.

Fonte: Portal Ciência e Tecnologia