Super Smasher: Los Colectores De Partículas Pueden Volverse Más Pequeños Y Más Potentes

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La aceleración de wakefield, un nuevo método para aumentar los electrones a una velocidad cercana a la de la luz, podría allanar el camino para los colisionadores de partículas pequeños pero potentes.

Mueve sobre el Gran Colisionador de Hadrones. Un nuevo destructor de átomos podría un día chocar partículas entre sí a niveles aún más increíblemente altos de energía que el enorme anillo subterráneo cerca de Ginebra, Suiza.

El nuevo sistema, llamado acelerador de Wakefield, podría permitir a los científicos crear colisionadores de partículas pequeños pero potentes que podrían caber en cualquier campus universitario. Eso, a su vez, podría hacer posible buscar partículas subatómicas que aún no se conocen en el universo.

El nuevo acelerador fue descrito hoy (5 de noviembre) en la revista Nature.

Colisionadores de partículas

La premisa detrás de todos los colisionadores de partículas es engañosamente simple: tomar un montón de partículas subatómicas como protones o electrones, hacer que se estrellen entre sí a velocidades increíblemente altas, y luego mirar los restos para ver qué sale, dijo el coautor del estudio Mark Hogan, físico del Acelerador Lineal de Stanford, o Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Menlo Park, California. [Imágenes: dentro de los mejores laboratorios de física del mundo]

Pero acelerar los protones o los electrones a cerca de la velocidad de la luz no es una hazaña simple. Debido a que las partículas son tan pequeñas, los haces de partículas deben estar increíblemente enfocados para asegurar suficientes colisiones para detectar partículas fugaces y ultrarares.

Los campos eléctricos muy fuertes deben empujar las partículas a velocidades cada vez más altas. Los haces de partículas también necesitan la pista muy larga de un acelerador lineal para ganar velocidad, o deben doblarse alrededor de una pista circular repetidamente, lo que puede causar que las partículas salgan de los haces de electrones o protones, lo que reduce el enfoque ajustado del haz.

Para encontrar las partículas más esquivas, como la partícula de bosón de Higgs detectada en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los colisionadores se han vuelto más grandes y han consumido más poder. Esta unidad para colisionadores cada vez más grandes llevó a la construcción del LHC, una máquina masiva en la frontera entre Suiza y Francia donde los protones giran alrededor de un circuito subterráneo de 17 millas (27 kilómetros) antes de estrellarse en colisiones que generan 8 voltios de teraelectrón (TeV ) de energía. El LHC actualmente está cerrado por una actualización y está programado para reabrirse el próximo año con la capacidad de generar colisiones con aproximadamente el doble de energía que antes de la actualización. [Más allá de Higgs: 5 partículas evasivas que pueden estar al acecho en el universo]

Pero con la tecnología existente, los colisionadores de partículas no pueden volverse más poderosos indefinidamente.

"Hemos alcanzado un límite en lo que realmente podemos permitirnos construir en términos de tamaño y costo", dijo Hogan a WordsSideKick.com.

Los colisionadores ahora pueden usar tanta energía como las centrales eléctricas municipales, dijo Hogan. Por ejemplo, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés), que administra el LHC, usa suficiente energía para administrar alrededor de 300,000 hogares.

Acelerador de plasma

Así que Hogan y sus colegas comenzaron a buscar una manera de aumentar las energías de los colisionadores sin aumentar dramáticamente su poder y tamaño.

El equipo creó un plasma de gas litio caliente, esencialmente una sopa de átomos con electrones eliminados, en una cámara de 11.8 pulgadas de largo (30 centímetros).

Luego, el equipo disparó dos ráfagas de electrones fuertemente enfocados que viajaban cerca de la velocidad de la luz hacia el plasma, "como una ametralladora, una tras otra", dijo el coautor del estudio Michael Litos, quien también es físico en el Acelerador Nacional SLAC. Laboratorio.

Debido a que las partículas de carga similar se repelen entre sí, el primer grupo de electrones empuja los electrones en el plasma fuera del camino, mientras que los iones de litio más grandes son demasiado masivos para moverse y permanecer en su lugar. Estos iones de litio luego colocan los electrones de plasma en su lugar, creando una burbuja como la "estela alrededor de un bote", dijo Hogan. El movimiento de los electrones también genera un enorme campo eléctrico dentro de la estela.

El segundo grupo de electrones se arrastra al primero solo por el ancho de un cabello, esencialmente navegando en la estela del primer paquete. Al posicionar los dos manojos de electrones de manera correcta, la energía introducida en el plasma por el primer grupo de electrones es absorbida de manera eficiente por el segundo grupo de electrones del campo eléctrico del plasma, dijo Litos.

Pequeño pero poderoso

La nueva demostración es un hito importante, dijo Thomas Katsouleas, decano de la Escuela de Ingeniería de Pratt en la Universidad de Duke, quien no participó en el estudio actual.

Mientras que los primeros experimentos con plasma duplicaron la energía de los electrones de aceleración, "solo unas pocas partículas se aceleraron a esta energía máxima, y ​​no hubo un rayo acelerado bien definido", dijo Katsouleas a WordsSideKick.com.

El experimento actual aceleró con éxito medio billón de electrones y los mantuvo concentrados.

En el futuro, se podrían disparar múltiples grupos de electrones a través de un campo de plasma, y ​​cada grupo transfiere energía a los electrones detrás de él. Esa estrategia podría allanar el camino a colisionadores arbitrariamente poderosos que cabrían en el sótano de cualquier hospital o universidad, dijo Hogan.

El método también podría usarse para sobrecargar los colisionadores convencionales.

"Debido a que la onda de plasma aceleró los electrones 500 veces más rápido que el principal acelerador de partículas de SLAC, el resultado podría anunciar una nueva generación de 'posquemadores de plasma' compactos que podrían aumentar la energía de los aceleradores de partículas convencionales y potencialmente reducir el costo de la maquinaria de física de alta energía., "Mike Downer, un físico de la Universidad de Texas en Austin, escribió en un artículo que acompaña a Nature.

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