Ao observar elétrons que foram acelerados a energias extremamente altas, os cientistas são capazes de desvendar pistas sobre as partículas que constituem o nosso universo.

Acelerar elétrons para energias tão altas em um ambiente de laboratório, Contudo, é desafiador:normalmente, quanto mais energéticos os elétrons, quanto maior o acelerador de partículas. Por exemplo, para descobrir o bóson de Higgs - a recentemente observada "partícula de Deus, "responsável pela massa no universo - cientistas do laboratório CERN na Suíça usaram um acelerador de partículas com quase 17 milhas de comprimento.

Mas e se houvesse uma maneira de reduzir os aceleradores de partículas, produzindo elétrons de alta energia em uma fração da distância?

Em um artigo publicado em Cartas de revisão física , cientistas do Laboratório de Energia do Laser da Universidade de Rochester (LLE) descreveram um método para moldar a luz intensa do laser de uma forma que acelera os elétrons para registrar energias em distâncias muito curtas:os pesquisadores estimam que o acelerador seria 10, 000 vezes menor do que uma configuração proposta registrando energia semelhante, reduzindo o acelerador de quase o comprimento de Rhode Island ao comprimento de uma mesa de jantar. Com essa tecnologia, os cientistas poderiam realizar experimentos de mesa para sondar o bóson de Higgs ou explorar a existência de dimensões extras e novas partículas que poderiam levar ao sonho de Albert Einstein de uma grande teoria unificada do universo.

"Os elétrons de alta energia são necessários para estudar a física fundamental das partículas, "diz John Palastro, um cientista do LLE e o principal autor do artigo. "Os aceleradores de elétrons fornecem um espelho para um mundo subatômico habitado pelos blocos de construção fundamentais do universo."

Embora esta pesquisa seja atualmente teórica, o LLE está trabalhando para torná-lo realidade por meio de planos para construir o laser de maior potência do mundo no LLE. O laser, a ser nomeado EP-OPAL, permitirá que os pesquisadores criem os pulsos de luz esculpidos extremamente poderosos e a tecnologia descrita neste artigo.

O acelerador de elétrons delineado pelos pesquisadores se baseia em uma técnica revolucionária para esculpir a forma de pulsos de laser para que seus picos possam viajar mais rápido do que a velocidade da luz.

"Esta tecnologia pode permitir que os elétrons sejam acelerados além do que é possível com as tecnologias atuais, "diz Dustin Froula, um cientista sênior do LLE e um dos autores do artigo.

Para esculpir os pulsos de laser, os pesquisadores desenvolveram uma nova configuração óptica semelhante a um anfiteatro circular com "etapas" de comprimento de onda usado para criar um intervalo de tempo entre anéis concêntricos de luz emitidos por um laser de alta potência.

Uma lente típica focaliza cada anel de luz de um laser a uma única distância da lente, formando um único ponto de luz de alta intensidade. Em vez de usar uma lente típica, Contudo, os pesquisadores usam lentes de formato exótico, o que lhes permite focar cada anel de luz a uma distância diferente da lente, criando uma linha de alta intensidade em vez de um único ponto.

Quando este pulso de luz esculpido entra em um plasma - uma sopa quente de elétrons e íons que se movem livremente - ele cria um rastro, semelhante à esteira atrás de um barco a motor. Esta esteira se propaga na velocidade da luz. Muito parecido com um esquiador aquático andando na esteira de um barco, os elétrons, então, aceleram à medida que seguem na esteira dos pulsos esculpidos de luz laser.

Esses "aceleradores de wakefield a laser" (LWFA) foram teorizados pela primeira vez há quase 40 anos, e foram avançados pela invenção da amplificação de pulso chirped (CPA), uma técnica desenvolvida no LLE pelos ganhadores do Prêmio Nobel de 2018, Donna Strickland e Gerard Mourou.

Versões anteriores do LWFA, Contudo, usado tradicional, pulsos de luz não estruturados que se propagaram mais lentamente do que a velocidade da luz, o que significava que os elétrons ultrapassariam a esteira, limitando sua aceleração. Os novos pulsos de luz esculpidos permitem velocidades mais rápidas do que a da luz, para que os elétrons possam cavalgar indefinidamente e ser continuamente acelerados.

"Este trabalho é extremamente inovador e seria uma virada de jogo para aceleradores de laser, "diz Michael Campbell, diretor do LLE. "Esta pesquisa mostra o valor da física de plasma teórica e experimental trabalhando em conjunto com cientistas e engenheiros de laser excepcionais - ela representa o melhor da cultura de LLE."