Un concepto innovador podría revolucionar la tecnología de aceleración de partículas, que impulsa los grandes colisionadores de átomos y fuentes de rayos X. Durante décadas, los científicos han trabajado en desarrollar aceleradores basados en luz láser que sean más pequeños y económicos. Los recientes avances sugieren que los aceleradores de plasma láser (APL) están cerca de alcanzar ese prometedor objetivo.
En diciembre de 2024, investigadores del Laboratorio Lawrence Berkeley de Estados Unidos lograron acelerar electrones a una energía de 9,2 giga-electrón voltios (GeV) en solo 30 centímetros, superando con creces la capacidad de un acelerador lineal (LINAC) de 1 kilómetro en SLAC, que costó 1100 millones de dólares. Aunque los APL aún producen haces de electrones menos refinados, los científicos ya están explorando aplicaciones prácticas. Se está pasando de estudiar los APL como un fenómeno científico a usarlos como herramientas útiles.
Cómo funcionan los APL
Los aceleradores convencionales utilizan ondas de radio en cavidades al vacío para impulsar partículas cargadas. Sin embargo, esta técnica tiene limitaciones, ya que campos eléctricos demasiado intensos pueden provocar chispas. Por ello, los aceleradores tradicionales necesitan ser muy largos para alcanzar energías altas.
En contraste, los APL generan campos eléctricos mucho más fuertes al dirigir pulsos intensos de luz láser a través de gas de hidrógeno a baja presión. El láser ioniza el gas, desplazando los electrones y dejando una región cargada positivamente. Al retroceder, los electrones crean una «estela» que actúa como un campo eléctrico capaz de acelerar otros electrones a velocidades cercanas a la de la luz. Este fenómeno, similar a una ola en un estadio deportivo, puede producir campos mil veces más potentes que los de los aceleradores convencionales. En 2004, se logró acelerar electrones a 1 GeV en unos pocos centímetros.
Superando desafíos técnicos
Uno de los principales problemas de los APL es que los pulsos láser tienden a dispersarse rápidamente, lo que limita la energía alcanzable. Para resolverlo, un equipo del Laboratorio Lawrence Berkeley utilizó una nueva estrategia novedoso: emplearon dos pulsos láser. El primero creó un canal de plasma que guió el segundo pulso con precisión a lo largo de 30 centímetros, permitiendo un mejor control y mayor eficiencia en la aceleración. Además, al mezclar nitrógeno con hidrógeno lograron que los electrones ionizados se sincronizaran mejor con el campo de aceleración, reduciendo la dispersión de energía y mejorando la calidad del haz.
Aunque otros métodos, como guiar pulsos láser a través de capilares de vidrio, ya habían sido intentados, estos eran menos efectivos y susceptibles a daños. En cambio, el canal de plasma creado con láser es inmune a estas limitaciones.
Aplicaciones prometedoras
Los APL podrían transformar múltiples áreas de la ciencia y la tecnología. Una aplicación destacada es su uso en láseres de electrones libres (LEE), que generan potentes rayos X. Actualmente, los LEE requieren grandes y costosos aceleradores lineales, como el de SLAC. Sin embargo, un APL podría sustituir a estas máquinas, haciéndolas más compactas y accesibles. Ya hay un esfuerzo global para lograrlo: en 2021, científicos en Shanghái lograron impulsar un LEE con un APL, aunque con una eficiencia limitada. En 2023, el equipo de Laboratorio Lawrence Berkeley mejoró la eficiencia al 90 %, un paso significativo hacia su uso práctico.
Europa también apuesta por esta tecnología. En 2025, como parte del proyecto Acelerador de investigación de plasma con excelencia en aplicaciones, se decidirá la ubicación de una instalación que utilizará APL para alimentar LEE. Este esfuerzo busca desarrollar aceleradores que operen de forma continua, algo aún no logrado con los APL.
Además, los APL podrían integrarse con aceleradores existentes. Por ejemplo, el laboratorio DESY en Alemania planea usar un APL en su actualización del acelerador PETRA-III para 2030, basándose en los avances logrados por el Laboratorio Lawrence Berkeley.
Perspectivas comerciales
Más allá de la investigación, los APL tienen potencial comercial. Manuel Hegelich, de la Universidad de Texas, fundó TAU Systems, una empresa que está construyendo una instalación APL en California para ofrecer servicios a clientes, incluyendo pruebas para NASA sobre la resistencia de componentes electrónicos al entorno de radiación espacial. Según Hegelich, este centro también servirá como escaparate para posibles compradores.
Futuro de los APL
Aunque los APL aún tienen problemas, como mejorar la estabilidad y frecuencia de los pulsos láser, los investigadores están entusiasmados con su potencial. Con avances continuos, podrían revolucionar no solo la física de partículas, sino también campos como la medicina, los materiales avanzados y la exploración espacial.
Fuente: Adrian Cho en Science.
