Aceleración del láser Wakefield

Aceleración del campo de estela láser es una técnica que utiliza un intenso pulso láser para acelerar electrones a energías muy altas en una distancia extraordinariamente corta, lo que potencialmente reduce el tamaño de máquinas que hoy llenan kilómetros hasta el tamaño de una mesa. Propuesto por Toshiki Tajima y John Dawson en 1979, se ha convertido en una de las rutas más prometedoras para lograr aceleradores de partículas compactos y asequibles.

Surfeando una ola en plasma

El truco consiste en impulsar una onda plasma — un gas tan caliente o ionizado que sus electrones han sido despojados de sus átomos. Cuando un pulso láser ultracorto y ultraintenso atraviesa el plasma, su presión de radiación empuja los electrones ligeros del plasma a un lado, dejando una burbuja de carga positiva detrás de él. Los electrones desplazados regresan rápidamente y se sobrepasan, estableciendo una oscilación onda de plasma que sigue al láser como la estela detrás de una lancha rápida. Un grupo de electrones colocados correctamente pueden "surfear" esta estela, cabalgando sobre su enorme campo eléctrico y ganando energía continuamente.

Por qué es revolucionario

La ventaja es la fuerza del campo acelerador. Los aceleradores convencionales tienen limitaciones porque sus cavidades metálicas se descomponen (generan chispas) por encima de aproximadamente 100 millones de voltios por metro. El plasma ya está descompuesto (está ionizado), por lo que puede sostener campos miles de veces más fuertes, del orden de 100 mil millones de voltios por metro. Un aumento de energía que una máquina convencional necesita muchos metros se puede lograr en milímetros. Los experimentos han acelerado electrones a varios miles de millones de electronvoltios en sólo centímetros de plasma.

Aplicaciones y desafíos

Los aceleradores de plasma compactos prometen fuentes más baratas de electrones de alta energía y los brillantes rayos X que generan, con usos que van desde la ciencia de los materiales y la medicina hasta la obtención de imágenes y, potencialmente, futuros colisionadores de física de alta energía. Los principales desafíos son el control y la coherencia: mantener el láser, el plasma y el haz de electrones exactamente igualados para que el haz de salida sea estable, bien enfocado y reproducible. Gran parte de la investigación actual se centra exactamente en estos obstáculos de la ingeniería.

Un error común

El láser no empuja directamente los electrones a alta energía. El trabajo del láser es crear y dar forma a la onda de plasma; es el campo eléctrico de esa onda, no la luz misma, el que acelera. Los electrones obtienen su energía del movimiento colectivo del plasma, con el láser actuando como conductor.