Tendencias21

Diseñan un acelerador de partículas en miniatura

Científicos de Alemania han diseñado un acelerador de partículas en miniatura, que utiliza radiación de terahercios para acelerar las partículas, en lugar de radiofrecuencia. El tamaño se reduce por 100, y un módulo cabe entre los dedos. El objetivo es utilizarlo en múltiples aplicaciones, incluidos los láseres de electrones libres, que tendrían menos de un metro de largo (en lugar de los tres kilómetros que miden los proyectos equivalentes actuales).

Diseñan un acelerador de partículas en miniatura

Un equipo interdisciplinar de investigadores ha construido el primer prototipo de acelerador de partículas en miniatura que usa radiación de terahercios en lugar de estructuras de radiofrecuencia. Un módulo de acelerador (una de las partes que lo componen) no tiene más de 1,5 centímetros de largo y un milímetro de grosor.

La tecnología de terahercios promete miniaturizar toda la puesta a punto por lo menos por un factor de 100, según los científicios dirigidos por Franz Kärtner, del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), de Hamburgo (Alemania). Presentan su prototipo, que fue creado en el laboratorio de Kärtner en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, EE.UU.), en la revista Nature Communications.

Los autores ven numerosas aplicaciones de los aceleradores de terahercios, en ciencia de materiales, medicina y física de partículas, así como en la producción de láseres de rayos X. CFEL es una cooperación entre DESY (Sincrotrón Alemán de Electrones, de Hamburgo), la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.

En el espectro electromagnético, la radiación de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y la microondas. Los aceleradores de partículas por lo general dependen de la radiación electromagnética de la gama de radiofrecuencia; el acelerador de partículas Petra II, de DESY, utiliza por ejemplo una frecuencia de alrededor de 500 megahercios. La longitud de onda de la radiación de terahercios usada en este experimento es alrededor de mil veces más corta.

«La ventaja es que todo lo demás puede ser mil veces más pequeño también», explica en la nota de prensa de DESY Kärtner, que es profesor de la Universidad de Hamburgo y en el MIT, además de ser miembro del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo.

Los científicos utilizaron para su prototipo un módulo de acelerador microestructurado especial, diseñado específicamente para ser utilizado con radiación de terahercios. Los físicos dispararon electrones de alta velocidad en el módulo acelerador en miniatura utilizando un tipo de cañón de electrones proporcionado por el grupo del CEFL del profesor Dwayne Miller, director del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia.

Los electrones se aceleraron aún más por la radiación de terahercios introducida en el módulo. Este primer prototipo de acelerador de terahercios fue capaz de aumentar la energía de las partículas en siete kiloelectronvolts (keV).

«No es una aceleración particularmente grande, pero el experimento demuestra que el principio funciona en la práctica», explica el coautor Arya Fallahi, del CFEL, que hizo los cálculos teóricos. «La teoría indica que debemos ser capaces de lograr un gradiente de aceleración de hasta un gigavoltio por metro.» Esto es más de diez veces lo que se puede lograr con los mejores módulos de aceleración convencionales disponibles en la actualidad.

La tecnología del acelerador de plasma, que también está en etapa experimental en este momento, promete producir aceleraciones aún más altas, pero también requiere láseres significativamente más potentes que los que se necesitan para los aceleradores de terahercios.

Aplicaciones

Los físicos subrayan que la tecnología de terahercios es de gran interés tanto en lo que respecta a los futuros aceleradores lineales para su uso en la física de partículas, como para construir láseres compactos de rayos X y fuentes electrónicas para su uso en la investigación de materiales, así como en aplicaciones médicas utilizando rayos X y radiación de electrones.

«Los rápidos avances que estamos viendo en la generación de terahercios con métodos ópticos permitirán el desarrollo futuro de los aceleradores de terahercios para estas aplicaciones», dice el primer autor Emilio Nanni, del MIT. En los próximos años, el equipo del CFEL planea construir un láser experimental y compacto de rayos X de electrones libres (XFEL) a escala de laboratorio utilizando la tecnología de terahercios, con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación.

Láseres de electrones libres

Los llamados láseres de electrones libres (FEL) generan destellos de luz láser mediante el envío de electrones de alta velocidad desde un acelerador de partículas por un camino ondulante, de modo que emiten luz cada vez que se desvían. Este es el mismo principio que será utilizado por el láser de rayos X XFEL Europeo, que actualmente está siendo construido por un consorcio internacional.

Va desde el Campus de DESY en Hamburgo a la vecina localidad de Schenefeld. La instalación tendrá en total más de tres kilómetros de largo y será la mejor y más moderna de su tipo.

Se espera que el XFEL experimental que utilice terahercios sea inferior a un metro de largo. «Esperamos que este tipo de dispositivo produzca pulsos de rayos X mucho más cortos, que duren menos de un femtosegundo», dice Kärtner. Debido a que los impulsos son tan cortos, alcanzan un pico de brillo comparable a los producidos por instalaciones más grandes, incluso si hay significativamente menos luz en cada pulso. «Con estos pulsos tan cortos esperamos obtener nuevos conocimientos sobre los procesos químicos extremadamente rápidos, como los que participan en la fotosíntesis.»

El desarrollo de una comprensión detallada de la fotosíntesis abriría la posibilidad de implementar este eficiente proceso de forma artificial y explorar así una conversión de energía solar más eficiente y nuevas vías para la reducción de CO2. Más allá de esto, los investigadores están interesados ​​en muchas otras reacciones químicas. Como señala Kärtner, «la fotosíntesis es sólo un ejemplo de muchos procesos catalíticos posibles que nos gustaría investigar.»

El XFEL compacto podría usarse también para introducir pulsos en instalaciones a gran escala para mejorar la calidad de los que tienen.

Referencia bibliográfica:

Emilio A. Nanni, Wenqian R. Huang, Kyung-Han Hong, Koustuban Ravi, Arya Fallahi, Gustavo Moriena, R. J. Dwayne Miller & Franz X. Kärtner: Terahertz-driven linear electron acceleration. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/NCOMMS9486.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • El derretimiento de los polos modifica la velocidad a la cual gira la Tierra 28 marzo, 2024
    Un nuevo estudio ha descubierto que la redistribución de la masa procedente del derretimiento del hielo polar está cambiando la velocidad a la que gira nuestro planeta. No se trata de algo anecdótico, ya que modifica la duración del año en la Tierra: los cambios han derivado en que el segundo intercalar previsto para restar […]
    Pablo Javier Piacente
  • Descubren el primer hogar del Homo Sapiens fuera de África 28 marzo, 2024
    El primer hogar que acogió al Homo Sapiens cuando emigró de África fue la así llamada Meseta Persa, donde vivió unos 20.000 años e interactuó con los neandertales hasta que oleadas de estas poblaciones se dispersaron y se asentaron por toda Eurasia.
    Redacción T21
  • Los astrónomos observan un misterioso glóbulo cometario vagando por el cosmos 27 marzo, 2024
    Utilizando el Telescopio de rastreo VLT (VST) los científicos han producido una imagen impactante de GN 16.43.7.01, un glóbulo cometario situado a 5.000 años luz de distancia de la Tierra, en la constelación de Escorpio. Se trata de pequeñas y débiles nubes interestelares de gas y polvo cósmico, con una forma similar a la de […]
    Pablo Javier Piacente
  • Sería inminente el hallazgo de vida extraterrestre en Europa, una de las lunas de Júpiter 27 marzo, 2024
    Basado en experimentos recientes, un grupo de científicos determinó en un nuevo estudio que un instrumento en particular a bordo de la futura misión Europa Clipper de la NASA, denominado SUrface Dust Analyzer, era tan sensible que probablemente podría detectar signos de vida extraterrestre en granos individuales de hielo expulsados por Europa, la luna helada […]
    Pablo Javier Piacente
  • ¿La criopreservación es el paso necesario para la resurrección moderna? 27 marzo, 2024
    En España hay cinco casos de personas sometidas a criopreservación después de fallecer, a la espera de que la tecnología permita, tal vez, volverlos a la vida en los años 50 de este siglo.
    José Luis Cordeiro (*)
  • Crean un cerebro fantasma en forma de cubo impreso en 3D 27 marzo, 2024
    Investigadores austriacos han desarrollado un modelo de cerebro impreso en 3D basado en la estructura de las fibras cerebrales visibles mediante imágenes de resonancia magnética. Permite estudiar la compleja red neuronal con una precisión sin precedentes.
    Redacción T21
  • El océano se está desgarrando 26 marzo, 2024
    2.000 terremotos en un día en Canadá insinúan el nacimiento de una nueva corteza oceánica frente a la costa de la isla de Vancouver: está a punto de nacer a través de una ruptura magmática en las profundidades del mar.
    Pablo Javier Piacente
  • Simulan una explosión termonuclear en un superordenador 26 marzo, 2024
    Una simulación por superordenador nos brinda nuevos conocimientos sobre el comportamiento de las estrellas de neutrones: al evocar la explosión termonuclear que tiene lugar cuando estos monstruos cósmicos devoran a otra estrella, los investigadores logran avanzar en la comprensión de los fenómenos más extremos que suceden en el cosmos.
    Pablo Javier Piacente
  • Las matemáticas tienen la clave para erradicar el machismo 26 marzo, 2024
    Las matemáticas demuestran que si una parte significativa de las mujeres de una población (superando el límite del 45%) se comporta solidariamente con otras mujeres (como si fuesen hermanas), el machismo se extingue.
    Alicia Domínguez y Eduardo Costas (*)
  • El cerebro nos invita a soñar despiertos y luego nos rescata del ensueño 26 marzo, 2024
    El cerebro dispone de un doble mecanismo que, por un lado, nos inspira la creatividad provocando que soñemos despiertos, y por otro, nos devuelve a la realidad para sacarnos de la divagación inútil.
    Redacción T21