Consiguen hacer funcionar un acelerador de partículas en miniatura

 

Los aceleradores de partículas son herramientas cruciales en una gran variedad de ámbitos de la industria, la investigación y el sector médico. El espacio que requieren estas máquinas oscila entre unos pocos metros cuadrados y grandes centros de investigación. El uso de láseres para acelerar electrones dentro de una nanoestructura fotónica constituye una alternativa microscópica con el potencial de generar costes significativamente menores y hacer los dispositivos considerablemente menos voluminosos. Hasta ahora, no se habían demostrado ganancias energéticas sustanciales. En otras palabras, no se ha demostrado que los electrones hayan aumentado realmente su velocidad de forma significativa. Un equipo de físicos especializados en láser de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ha logrado demostrar el primer acelerador nanofotónico de electrones, al mismo tiempo que sus colegas de la Universidad de Stanford. Los investigadores de la FAU acaban de publicar sus hallazgos en la revista "Nature "*.

Cuando la gente oye "acelerador de partículas", la mayoría piensa probablemente en el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra, el túnel en forma de anillo de unos 27 kilómetros de largo que investigadores de todo el mundo utilizaron para investigar partículas elementales desconocidas. Sin embargo, estos enormes aceleradores de partículas son la excepción. Es más probable que nos encontremos con ellos en otros lugares de nuestra vida cotidiana, por ejemplo en procedimientos médicos de obtención de imágenes o durante la radiación para tratar tumores. Pero incluso entonces, los aparatos miden varios metros y siguen siendo bastante voluminosos, con margen de mejora en términos de rendimiento. En un intento por mejorar y reducir el tamaño de los dispositivos existentes, físicos de todo el mundo trabajan en la aceleración láser dieléctrica, también conocida como aceleradores nanofotónicos. Las estructuras que utilizan tienen apenas 0,5 milímetros de longitud, y el canal por el que se aceleran los electrones sólo tiene unos 225 nanómetros de anchura, lo que hace que estos aceleradores sean tan pequeños como un chip de ordenador.

Las partículas se aceleran mediante pulsos láser ultracortos que iluminan las nanoestructuras. "La aplicación soñada sería colocar un acelerador de partículas en un endoscopio para poder administrar radioterapia directamente en la zona afectada dentro del cuerpo", explica el Dr. Tomáš Chlouba, uno de los cuatro autores principales del trabajo recientemente publicado. Puede que este sueño aún esté lejos del alcance del equipo de la FAU de la Cátedra de Física Láser dirigido por el Prof. Dr. Peter Hommelhoff e integrado por el Dr. Tomáš Chlouba, el Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner y Julian Litzel, pero ahora han conseguido dar un paso decisivo en la dirección correcta al demostrar el acelerador de electrones nanofotónico. "Por primera vez, podemos hablar realmente de un acelerador de partículas en un chip", afirma entusiasmado el Dr. Roy Shiloh.

Guiar electrones + aceleración = acelerador de partículas

Hace poco más de dos años, el equipo logró su primer gran avance: consiguió utilizar el método de enfoque de fase alterna (APF) de los primeros días de la teoría de la aceleración para controlar el flujo de electrones en un canal de vacío a larga distancia. Este fue el primer gran paso en el camino hacia la construcción de un acelerador de partículas. Ahora, todo lo que se necesitaba para obtener grandes cantidades de energía era aceleración. "Con esta técnica hemos conseguido no sólo guiar electrones, sino también acelerarlos en estas estructuras nanofabricadas de medio milímetro de longitud", explica Stefanie Kraus. Aunque a muchos no les parezca un gran logro, se trata de un gran éxito en el campo de la física de aceleradores. "Hemos ganado una energía de 12 kiloelectronvoltios. Es decir, un 43% más de energía", explica Leon Brückner.

Para acelerar las partículas a distancias tan grandes (vistas desde la escala nanométrica), los físicos de la FAU combinaron el método APF con estructuras geométricas en forma de pilar especialmente desarrolladas.

Sin embargo, esta demostración es sólo el principio. Ahora el objetivo es aumentar la ganancia de energía y la corriente de electrones hasta tal punto que el acelerador de partículas en un chip sea suficiente para aplicaciones en medicina. Para ello, la ganancia de energía tendría que multiplicarse por 100 aproximadamente. "Para conseguir corrientes de electrones más elevadas a energías más altas en la salida de la estructura, tendremos que ampliar las estructuras o colocar varios canales uno al lado del otro", explica Tomáš Chlouba los próximos pasos de los físicos del láser de la FAU.

Carrera cara a cara entre físicos

Lo que consiguieron hacer los físicos del láser de Erlangen fue demostrado casi simultáneamente por colegas de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos: Sus resultados están actualmente en revisión, pero pueden consultarse en un repositorio. Los dos equipos están trabajando juntos en la realización del "Acelerador en un chip" en un proyecto financiado por la Fundación Gordon y Betty Moore. "En 2015, el equipo ACHIP liderado por la FAU y Stanford tuvo la visión de un enfoque revolucionario para el diseño de aceleradores de partículas", dijo el Dr. Gary Greenburg de la Fundación Gordon y Betty Moore, "y estamos encantados de que nuestro apoyo haya ayudado a convertir esta visión en realidad."

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