Jaime Miguel Tomé me ha enviado el siguiente artículo sobre los aceleradores de plasma; una alternativa para conseguir partículas de alta energía muy distinta de los clásicos aceleradores de partículas.

Durante las últimas décadas se han desarrollado un tipo de aceleradores de partículas, diferentes a los convencionales. Un tipo de aceleradores que utilizan un láser y plasma como elementos principales. 

Un plasma, en su totalidad, es eléctricamente neutro; contiene tanta carga negativa (electrones) como positiva (iones). Si dirigimos un haz intenso de un láser hacia el plasma, crea una perturbación en el plasma; el haz empuja los electrones y los separa de los iones positivos, más pesados, que se quedan atrás, creándose así una región de exceso de carga positiva y una región de exceso de carga negativa (Régimen de burbuja). 

La perturbación forma una onda que se propaga por el plasma casi a la velocidad de la luz. De modo tal que el potente campo eléctrico que apunta de la región positiva a la negativa acelerará cualquier partícula dotada de carga que caiga bajo su influencia. 

Aspecto relevante: Un plasma puede albergar campos eléctricos aceleradores de una intensidad extraordinaria. Un plasma convencional,  generará una onda con un campo eléctrico máximo de 100.000 millones de voltios por metro; multiplica por más de mil el gradiente de aceleración de un acelerador de los comunes, de microondas.

Los aceleradores “portátiles” de plasma son posibles gracias a los láseres intensos y pequeños de hoy. Láseres de Titanio-Zafiro que generan 10 terawatt de potencia en pulsos de luz ultracortos caben ahora en una mesa.

En los aceleradores de plasma alimentados por láser, se enfoca un pulso de láser ultracorto sobre un chorro de helio de un par de milímetros de largo. El pulso arranca inmediatamente los electrones del gas, que se convierte en un plasma. La presión de radiación de ese disparo del láser es tan grande, que los electrones, mucho más ligeros que los iones, salen despedidos en todas direcciones. 

Los electrones forman una estructura en burbuja. Cerca del frente de la burbuja se halla el pulso del láser que crea el plasma; en el interior, los iones del plasma.

Esta burbuja es microscópica, con unas 10 micras de diámetro. El campo eléctrico de la región de la burbuja se asemeja a una ola, aunque mucho más escarpada. 

En 2004, tres grupos que competían entres sí, de Estados Unidos, Francia y el Reino Unido, se encontraron al mismo tiempo con un nuevo régimen físico, en el cual los electrones autoatrapados se deslizaban sobre el plasma como un grupo; así todos alcanzaban la misma energía. Los tres grupos utilizaron láseres de potencia mayor que en experimentos anteriores: de 10 terawatt en adelante.

Cuando un pulso de láser tan potente se propaga a través del plasma, se hace a la vez más corto y más estrecho, de ese modo se crea una gran burbuja electrónica que atrapa a los electrones del plasma. El resultado es un haz de electrones con poca dispersión de energías.

Si un dispositivo, un cañón de electrones por ejemplo, introduce un electrón externo cerca de donde haya un exceso de electrones en el plasma, esa partícula añadida experimentará un campo eléctrico que tirará de ella hacia las cargas positivas del interior de la burbuja. La onda avanza casi a la velocidad de la luz, de manera que hay que inyectar el electrón a una celeridad semejante, para que coincida con la onda y obtenga energía de ella. Sabemos por la teoría de la relatividad que cualquier aumento adicional de energía del electrón vendrá de un aumento de la masa de la partícula, no de su velocidad. El electrón, por tanto, no acabará adelantándose mucho a la onda de plasma: irá montado sobre ella y ganará así constantemente energía. Algunos de los electrones del propio plasma también quedarán atrapados y se acelerarán de esa misma manera, como la espuma de la cresta de una ola. 

Jaime Miguel Tomé