Ao observar elétrons que foram acelerados para energias extremamente altas, os cientistas conseguem descobrir pistas sobre as partículas que compõem nosso universo.
Acelerar elétrons para energias tão altas em laboratório é um desafio: normalmente, quanto mais energéticos os elétrons, maior o acelerador de partículas. Por exemplo, para descobrir o bóson de Higgs – a “partícula de Deus”, recentemente observada, responsável pela massa no universo – cientistas do laboratório do CERN na Suíça usaram um acelerador de partículas de quase 27 quilômetros 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 no Physical Review Letters, os cientistas do Laboratório de Energética a Laser (LLE) da Universidade de Rochester esboçaram um método para modelar a luz intensa do laser de uma maneira que acelera os elétrons para registrar energias em distâncias muito curtas: os pesquisadores estimam que o acelerador ser 10.000 vezes menor que uma configuração proposta, registrando energia semelhante, reduzindo o acelerador de quase o comprimento de Rhode Island ao comprimento de uma mesa da sala de jantar. Com essa tecnologia, os cientistas poderiam realizar experimentos de mesa para investigar 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, cientista do LLE e principal autor do artigo. “Os aceleradores de elétrons fornecem um espelho para um mundo subatômico habitado pelos blocos de construção fundamentais do universo”.
Enquanto essa pesquisa é atualmente teórica, o LLE está trabalhando para torná-lo realidade através de planos para construir o laser de maior potência no mundo no LLE. O laser, chamado EP-OPAL, permitirá que os pesquisadores criem os extremamente poderosos pulsos de luz esculpidos e a tecnologia descrita neste artigo.
O acelerador de elétrons delineado pelos pesquisadores conta com uma técnica revolucionária para esculpir a forma dos pulsos de laser, para que seus picos possam viajar mais rápido que a velocidade da luz.
“Essa tecnologia pode permitir que os elétrons sejam acelerados além do que é possível com as tecnologias atuais”, diz Dustin Froula, cientista sênior do LLE e um dos autores do artigo.
Para esculpir os pulsos do laser, os pesquisadores desenvolveram uma nova configuração óptica semelhante a um anfiteatro circular com “passos” do tamanho de comprimento de onda usados ??para criar um atraso no tempo entre os 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, no entanto, os pesquisadores usam lentes de formato exótico, o que lhes permite focalizar cada anel de luz a uma distância diferente da lente, criando uma linha de alta intensidade em vez de um único ponto.
Quando esse pulso de luz esculpido entra no plasma – uma sopa quente de elétrons e íons em movimento livre – ele cria uma esteira, semelhante à esteira atrás de uma lancha. Esta esteira se propaga à velocidade da luz. Assim como um esquiador aquático andando na esteira de um barco, os elétrons aceleram à medida que passam na esteira dos pulsos de luz laser esculpidos.
Esses “aceleradores do campo de vigia a laser” (LWFA) foram teorizados pela primeira vez há quase 40 anos e foram avançados pela invenção da amplificação por pulso de chumbo (CPA), uma técnica desenvolvida no LLE por Donna Strickland e Gerard Mourou, ganhadores do Prêmio Nobel de 2018.
As versões anteriores do LWFA, no entanto, usavam pulsos de luz tradicionais e não estruturados que se propagavam mais lentamente do que a velocidade da luz, o que significava que os elétrons ultrapassavam a esteira, limitando sua aceleração. Os novos pulsos de luz esculpidos permitem velocidades mais rápidas que a luz, para que os elétrons possam seguir o rastro indefinidamente e serem acelerados continuamente.
“Este trabalho é extremamente inovador e seria um divisor de águas para os aceleradores a laser”, diz Michael Campbell, diretor do LLE. “Esta pesquisa mostra o valor da física teórica e experimental do plasma trabalhando em conjunto com excelentes cientistas e engenheiros a laser – representa o melhor da cultura do LLE”.
Publicado em 06/04/2020 07h43
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