doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.225001
Credibilidade: 999
#Elétron
O ajuste de métodos experimentais alcançou o primeiro diagnóstico de aceleração de elétrons de “disparo único” por meio de um acelerador de wakefield a laser ao longo de uma trajetória curva, de acordo com um estudo recente liderado por pesquisadores da Universidade de Michigan. As descobertas são publicadas na revista Physical Review Letters.
Esta técnica baseada em óptica poderia ajudar os engenheiros a desenvolver aceleradores de elétrons mais poderosos para estudos fundamentais de física quântica e de partículas – ou aceleradores mais compactos para uso na medicina e na indústria.
Em comparação com os aceleradores tradicionais, que podem ter quilômetros de comprimento, os aceleradores laser wakefield podem aplicar 1000 vezes mais energia por metro, permitindo um design muito mais compacto, capaz de caber numa sala grande.
O dispositivo dispara um laser através de um vapor, criando um plasma ionizado, depois separa os elétrons dos íons, o que cria um “campo de esteira”, semelhante ao rastro que um barco deixa para trás enquanto se move na água.
Em seguida, ele injeta um feixe de elétrons no acelerador que “surfa? na esteira, ganhando energia rapidamente.
“O feixe de partículas que sai de um acelerador de plasma a laser tem duração tão curta que levaria menos tempo para a luz atravessar a largura de um fio de cabelo.
Todo o processo de aceleração é tão rápido, em um trilionésimo de um- segunda escala de tempo, que é extremamente difícil de medir”, disse Alexander Thomas, professor de engenharia nuclear e ciências radiológicas, engenharia elétrica e ciência da computação e física na UM e autor sênior do estudo.
Até este ponto, os processos de aceleração de elétrons foram medidos através de múltiplas execuções experimentais, chamadas de modo multi-shot, mas esses métodos dependem da estabilidade e reprodutibilidade do acelerador – deixando espaço para variações entre os experimentos.
“É essencial diagnosticar com precisão o processo de aceleração de elétrons para maximizar o ganho de energia dos elétrons.
Este pode ser um passo crucial para impulsionar o desenvolvimento dos futuros colisores de leptões de nível teraelétron-volt (TeV) usados para compreender as leis fundamentais da natureza, “disse Thomas .
A equipe de pesquisa realizou o diagnóstico de aceleração de elétrons de disparo único durante um experimento conduzido em um acelerador laser wakefield na Advanced Laser Light Source do Institut National de la Recherche Scientifique em Quebec, Canadá.
A técnica se baseia em um fenômeno que ocorre durante a aceleração do campo de laser conhecido como “radiação de raios X betatron”, onde os elétrons emitem fótons de alta energia na região de raios X do espectro eletromagnético enquanto oscilam transversalmente.
“Em nosso trabalho, direcionamos a luz laser intensa com uma rampa de densidade de plasma para que a luz laser siga uma trajetória curva, assim como o feixe de elétrons acelerado na esteira da luz laser”, disse Yong Ma, cientista assistente de pesquisa do engenharia nuclear e ciências radiológicas na UM e autor correspondente do estudo.
Os fótons emitidos pelo elétron sempre seguem a direção tangente de sua trajetória instantânea.
Assim, os fótons emitidos em momentos diferentes aparecem em ângulos diferentes e, portanto, em locais espaciais diferentes na tela.
As propriedades dos fótons, nomeadamente energias dos fótons e distribuição angular, são completamente determinadas pelas propriedades do feixe de elétrons.
Portanto, ao medir as propriedades do fóton espacialmente resolvido, os pesquisadores conseguiram reunir o processo de aceleração de elétrons a partir de um único experimento.
“Tivemos essa ideia básica usando a chamada técnica de ‘estreia betatron’ há sete anos e demonstramos sua viabilidade usando simulações numéricas.
Foi uma experiência bastante emocionante e divertida realizar um experimento baseado em simulações numéricas e obter os resultados experimentais esperados, ” disse mamãe.
“É um excelente resultado que pode abrir novos caminhos para uma compreensão detalhada dos aceleradores de laser-plasma”, disse o Dr. Daniel Seipt, do Helmholtz-Institute Jena, autor sênior do estudo que forneceu o suporte teórico.
Os resultados podem encontrar aplicações no controle avançado do feixe de laser e da propagação de partículas – por exemplo, no desenvolvimento de canais de plasma curvos para acoplar aceleradores de wakefield a laser de vários estágios.
Um acelerador wakefield multiestágio superaria as limitações de energia de um acelerador de estágio único, alcançando energias mais altas para as partículas.
Essas altas energias poderiam ser usadas para experimentos de mecânica quântica, semelhantes aos feitos no Grande Colisor de Hádrons do CERN, mas em uma escala menor e menos dispendiosa.
Além da exploração quântica, aceleradores de wakefield a laser de vários estágios poderiam eventualmente ser aplicados para uso prático na destruição direcionada de tumores em tratamentos de câncer ou no corte de materiais com danos térmicos limitados em ambientes industriais.
Publicado em 27/06/2024 22h39
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