Los aceleradores de partículas tienen un enorme potencial para aplicaciones de semiconductores, imágenes y terapias médicas, y materiales, energía e investigación médica. Sin embargo, los aceleradores tradicionales requieren mucho espacio (kilómetros), son caros y están limitados a unos pocos laboratorios y universidades nacionales. Un equipo de investigación colaborativo ha desarrollado un acelerador de partículas compacto capaz de producir haces de electrones de alta energía en un volumen mucho menor que los aceleradores tradicionales. Este avance trae nuevas posibilidades para la medicina, los semiconductores y la investigación científica, y se planea una mayor miniaturización y mayor practicidad.
Investigadores de la Universidad de Texas en Austin, varios laboratorios nacionales, universidades de Europa y TAU Systems, con sede en Texas, han demostrado un acelerador de partículas compacto de menos de 20 metros de largo que puede producir un haz de electrones con una energía de 10 mil millones de electronvoltios (10GeV). Actualmente, sólo hay otros dos aceleradores en Estados Unidos capaces de alcanzar energías electrónicas tan altas, pero ambos tienen unos 3 kilómetros de largo.
"Ahora podemos alcanzar estas energías en un radio de 10 centímetros", dijo Bjorn "Manuel" Hegelich, profesor asociado de física de la Universidad de Texas en Austin y director ejecutivo de TAU Systems, refiriéndose al tamaño de la cámara que genera el haz de electrones. Es el autor principal de un artículo que describe sus logros publicado recientemente en la revista Matter and Radiation at Extreme.
Heglich y su equipo están explorando actualmente cómo su acelerador, llamado Acelerador Láser de Campo Wang Avanzado, puede usarse para una variedad de propósitos. Esperan utilizarlo para probar la resistencia a la radiación de la electrónica espacial, obtener imágenes de la estructura interna tridimensional de nuevos diseños de chips semiconductores e incluso desarrollar nuevos tratamientos contra el cáncer y técnicas avanzadas de imágenes médicas.
El acelerador también se puede utilizar para impulsar otro dispositivo llamado láser de electrones libres de rayos X, que puede filmar procesos en cámara lenta a escala atómica o molecular. Ejemplos de tales procesos incluyen interacciones entre fármacos y células, cambios dentro de las baterías que pueden provocar que se incendien, reacciones químicas dentro de los paneles solares y los cambios de forma de las proteínas virales cuando infectan las células.
El concepto de acelerador láser Wangchang apareció por primera vez en 1979. Láseres extremadamente potentes golpean el gas helio, lo calientan hasta convertirlo en plasma y crean ondas que expulsan los electrones del gas del haz de alta energía. En las últimas décadas, diferentes grupos de investigación han desarrollado versiones más potentes. El avance clave de Heglich y su equipo se basó en las nanopartículas. El láser auxiliar irradia la placa de metal en la cámara de gas y la placa de metal inyecta un flujo de nanopartículas metálicas, mejorando así la energía de la onda de electrones.
El láser es como un barco que rema a través del lago, dejando una onda, y los electrones son como surfistas montando esta onda de plasma.
"Es difícil meterse en una ola grande sin ser aplastado, por lo que los surfistas son arrastrados hacia la ola por motos acuáticas", dijo Heglich. "El equivalente a las motos acuáticas en nuestro acelerador son nanopartículas que liberan electrones en el momento justo y en el punto correcto, de modo que los electrones están en la onda. Introducimos más electrones en la onda cuando y donde queremos, en lugar de distribuirlos estadísticamente a lo largo de la interacción, y esa es nuestra salsa secreta".
Para este experimento, los investigadores utilizaron uno de los láseres pulsados más potentes del mundo, el láser Texas Petawatt. Un solo pulso de láser pitawa tiene aproximadamente 1.000 veces la potencia instalada en los Estados Unidos, pero dura sólo 150 femtosegundos, menos de una milmillonésima parte del tiempo que dura la descarga de un rayo. El objetivo a largo plazo del equipo es alimentar su sistema con un láser que están desarrollando actualmente y que podría colocarse sobre una mesa y disparar repetidamente miles de veces por segundo, haciendo que todo el acelerador sea más compacto y aplicable a una gama más amplia de aplicaciones que los aceleradores tradicionales.