Como eles são muito mais compactos do que os aceleradores de hoje, que pode ter quilômetros de comprimento, os aceleradores de plasma são considerados uma tecnologia promissora para o futuro. Um grupo de pesquisa internacional fez agora um progresso significativo no desenvolvimento desta abordagem:com dois experimentos complementares no Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e no Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), a equipe conseguiu combinar duas tecnologias de plasma diferentes pela primeira vez e construir um novo acelerador híbrido. O conceito pode promover o desenvolvimento do acelerador e, a longo prazo, tornar-se a base de fontes de raios-X altamente brilhantes para pesquisa e medicina, como os especialistas descrevem no jornal Nature Communications .

Em aceleradores de partículas convencionais, ondas de rádio fortes são conduzidas para tubos de metal de formato especial, chamados ressonadores. As partículas a serem aceleradas - que geralmente são elétrons - podem surfar nessas ondas de rádio como os surfistas surfam em uma onda do mar. Mas o potencial da tecnologia é limitado:alimentar muita energia das ondas de rádio nos ressonadores cria um risco de cargas elétricas que podem danificar o componente. Isso significa que, a fim de levar as partículas a níveis de energia elevados, muitos ressonadores precisam ser conectados em série, o que torna os aceleradores de hoje, em muitos casos, quilômetros de comprimento.

É por isso que os especialistas estão trabalhando ansiosamente em uma alternativa:a aceleração do plasma. Em princípio, Raios de laser curtos e extremamente poderosos disparam em um plasma - um estado ionizado de matéria que consiste em elétrons carregados negativamente e núcleos atômicos carregados positivamente. Neste plasma, o pulso de laser gera um forte campo elétrico alternado, semelhante à esteira de um navio, que pode acelerar enormemente os elétrons em uma distância muito curta. Em teoria, isso significa que as instalações podem ser construídas de forma muito mais compacta, encolher um acelerador que hoje tem cem metros de comprimento para apenas alguns metros. “Essa miniaturização é o que torna o conceito tão atraente, "explica Arie Irman, pesquisador do HZDR Institute of Radiation Physics. "E esperamos que isso permita que até mesmo pequenos laboratórios universitários tenham um poderoso acelerador no futuro."

Mas existe ainda outra variante da aceleração do plasma, onde o plasma é impulsionado por feixes de elétrons próximos à velocidade da luz, em vez de poderosos flashes de laser. Este método oferece duas vantagens sobre a aceleração de plasma a laser:"Em princípio, deve ser possível alcançar energias de partículas mais altas, e os feixes de elétrons acelerados devem ser mais fáceis de controlar, "explica o físico e autor principal do HZDR, Thomas Kurz." A desvantagem é que, no momento, contamos com grandes aceleradores convencionais para produzir os feixes de elétrons necessários para conduzir o plasma. "FLASH no DESY em Hamburgo, por exemplo, onde tais experimentos acontecem, mede uns bons cem metros.

Combinação de alta energia

É precisamente aqui que entra o novo projeto. "Nós nos perguntamos se poderíamos construir um acelerador muito mais compacto para impulsionar a onda de plasma, "diz Thomas Heinemann, da Universidade de Strathclyde, na Escócia, que também é o autor principal do estudo. "Nossa ideia era substituir essa instalação convencional por um acelerador de plasma movido a laser." Para testar o conceito, a equipe projetou uma configuração experimental sofisticada em que fortes flashes de luz da instalação de laser DRACO da HZDR atingem um jato de gás de hélio e nitrogênio, gerando um pacote, feixe de elétrons rápido por meio de uma onda de plasma. Este feixe de elétrons passa através de uma folha de metal para o próximo segmento, com a folha refletindo de volta os flashes do laser.

Neste próximo segmento, o feixe de elétrons de entrada encontra outro gás, desta vez, uma mistura de hidrogênio e hélio, em que pode gerar um novo, segunda onda de plasma, colocar outros elétrons em modo turbo em um intervalo de apenas alguns milímetros - dispara um feixe de partículas de alta energia. "No processo, nós pré-ionizamos o plasma com um adicional, pulso de laser mais fraco, "Heinemann explica." Isso torna a aceleração do plasma com o feixe condutor muito mais eficaz. "

Ignição turbo:quase à velocidade da luz em apenas um milímetro

O resultado:"Nosso acelerador híbrido mede menos de um centímetro, "Kurz explica." A seção do acelerador impulsionada pelo feixe usa apenas um milímetro para trazer os elétrons a quase a velocidade da luz. "Simulações realistas do processo mostram um gradiente notável da tensão de aceleração no processo, correspondendo a um aumento de mais de mil vezes quando comparado a um acelerador convencional. Para ressaltar a importância de suas descobertas, os pesquisadores implementaram esse conceito de forma semelhante no ATLAS laser na LMU em Munique. Contudo, os especialistas ainda têm muitos desafios a superar antes que essa nova tecnologia possa ser usada para aplicações.

Em todo o caso, os especialistas já têm possíveis campos de aplicação em mente:"Grupos de pesquisa que atualmente não têm um acelerador de partículas adequado podem ser capazes de usar e desenvolver esta tecnologia, "Arie Irman espera." E em segundo lugar, nosso acelerador híbrido poderia ser a base para o que é chamado de laser de elétrons livres. "Esses FELs são considerados fontes de radiação de qualidade extremamente alta, especialmente raios-X, para análises ultra-precisas de nanomateriais, biomoléculas, ou amostras geológicas. Até agora, esses lasers de raios X exigiam aceleradores convencionais longos e caros. A nova tecnologia de plasma poderia torná-los muito mais compactos e econômicos - e talvez também acessíveis para um laboratório regular de uma universidade.