SLAC apenas se extiende 3 kms, distancia ya muy tratable pero que consigue grandes resultados

EL SLAC, nuevo avance - Katsouleas es un ingeniero eléctrico de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, y parte de un equipo implicado en una serie de experimentos potencialmente innovadores en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Stanford, California. “La energía mínima para ver una nueva física es probablemente un rayo de 250 GeV impactando en otro de 250 GeV”, afirma. En 2007, Katsouleas y sus colegas dieron un impresionante salto adelante hacia ese objetivo, creando un nuevo récord para la mayor energía lograda usando un acelerador de plasma: 85 GeV. Según admitió, hizo un poco de trampa. Los electrones con los que empezó no estaban a la energía relativamente baja de los tranquilos electrones del propio plasma, sino a la emisión de 42 GeV de uno de los aceleradores de electrones convencionales más poderosos del mundo: el acelerador principal de 3 kilómetros de largo de SLAC. Incluso así, la duplicación de energía que logró el equipo de Katsouleas en apenas 1 metro de plasma es asombroso (Nature, vol 445, p 741).

En el experimento del equipo de SLAC, los electrones de alta energía desempeñaron el papel del pulso láser en los anteriores experimentos, creando los gradientes de densidad y acelerando los campos eléctricos en su estela. “La física es casi la misma”, dice Patric Muggli, colega de Katsouleas. Desgraciadamente, los problemas también: sólo parte de los electrones del rayo original quedan atrapados en el remolino, la mayor parte de los mismos pasan sin verse afectado, produciendo un frustrante espectro borroso de energías de electrones en el otro extremo. Idealmente, los investigadores enviarían un segundo pulso de electrones de alta energía en el plasma justo tras el primero, sincronizándolos perfectamente para que naveguen en la estela del primero. Pero dado que el acelerador SLAC sólo envía un pulso cada vez, el equipo está observando el mismo resultado dando forma al único pulso por lo que es, a todos los efectos, partido en dos. Los resultados se esperan, según dicen, en los próximos años.

 

Vista aérea del SLAC, demostrando lo viable de este diseño

Más allá de esto, el equipo de SLAC tiene planes ambiciosos, actualmente sin fondos, para colocar un segundo acelerador de plasma después del primero de forma que la salida de uno sea, de modo inmediato, acelerada por el siguiente. “Una vez has demostrado las dos etapas, has resuelto el problema”, dice Mark Hogan: si puedes unir dos aceleradores, puedes unir tres o más, continuando hasta que haya el número necesario para crear colisiones que sean físicamente interesantes. Existen otras dificultades, por supuesto. Para hacer todo lo que un acelerador actual hace, un acelerador de plasma debería ser capaz de acelerar positrones – electrones cargados positivamente. En los aceleradores convencionales, esto no es un problema demasiado grave: las corrientes de cargas opuestas simplemente fluyen en direcciones opuestas. En un acelerador de plasma, no obstante, las cosas no son tan fáciles. Cuando un rayo de positrones de alta energía entra en un plasma, no repele los electrones, sino que los atrae, lo cual es algo totalmente distinto.

“Aún no hemos resulto la física tras este problema, pero estamos trabajando en ello”, dice Katsouleas. A pesar de estas cuestiones abiertas, la tecnología de plasma no está lejos del punto en el que pudiera reemplazar a un acelerador de diseño más convencional. Más inmediatamente, experimentos tales como los del SLAC abren la posibilidad de una nueva rama de aceleradores híbridos que sean compactos y rentables para lo que pueden hacer. La primera etapa sería un acelerador convencional de una escala de un kilómetro, la segunda un equipo de ignición en miniatura para llegar la energía de los electrones a nuevas cotas.

Los baratos aceleradores de plasma serán impulsados por ¿láser o electrones?

Futuro del sistema ¿láser o electrones? - Hogan y Muggli tienen planes incluso más ambiciosos. Han ideado un acelerador lineal convencional de un par de kilómetros de largo para crear un rayo de electrones de 25 GeV de energía. Acoplados en el extremo habría 20 fases consecutivas de plasma para acelerar el rayo a 500 GeV en sólo unos pocos metros adicionales. Tal máquina requeriría de bastante trabajo serio, pero Hogan y Muggli afirman que podría estar funcionando para 2025. El componente esencial de un acelerador de plasma – un tubo de gas - es, al menos comparado con las grandes sumas de las que se suelen hablar en física, básicamente gratis. Por tal razón, dice Katsouleas, la tecnología será difícil de ignorar si los físicos de partículas quieren tener fondos para sus planes más ambiciosos. Para él, la cuestión ahora no es si llegarán los aceleradores de plasma, sino qué los impulsará: ¿los pulsos láser de los experimentos originales, o los electrones de los experimentos de SLAC?

Katsouleas cree que la respuesta es obvia. Aunque el coste por vatio de la potencia de un láser se prevé que caiga en la próxima década de alrededor de 1000 dólares a unos 70, el precio equivalente para proporcionar un rayo de electrones inicial está sólo alrededor de los 10 dólares. Con un rayo de 250 GeV que requiere unos 100 megavatios para alimentarlo, la diferencia de precio será una consideración muy a tener en cuenta. Leemans cree que este juicio es prematuro, y que los problemas aún por resolver en el desarrollo de un rayo de energía única con un acelerador de plasma alimentado por electrones podría ser un obstáculo significativo. Está buscando patrocinio para un proyecto de desarrollo de un acelerador de 10 GeV usando una fuente de luz láser incluso como primer paso para máquinas aún más potentes.

En Marzo de este año, el Departamento de Energía de los Estados Unidos tiene previsto anunciar su evaluación de ambas aproximaciones, con vistas a invertir en alguna de ellas. La decisión podría tener profundas consecuencias para el futuro de la física de partículas de alta energía. ¿Qué costará la siguiente generación de aceleradores de partículas?

ALICE, abre camino para los aceleradores asequibles mediante superconductores

EL ALICE, nuevo método - Por otro lado, un equipo de científicos del Reino Unido ha comprobado con éxito la recuperación de energía en el nuevo modelo de acelerador de partículas, abriendo potencialmente el camino para nuevos aceleradores que consuman una pequeña parte de la energía requerida por los métodos convencionales. En la prueba de este innovador diseño, el acelerador lineal superconductor ALICE aceleró electrones hasta el 99,9 % de la velocidad de la luz, creando un haz con una energía de 11 millones de electronvoltios. Ésta es la primera vez en que el haz de ALICE ha sido transportado con éxito a través del circuito completo. ALICE es manejado por el STFC en su Laboratorio de Daresbury en Cheshire. Es el primer acelerador en Europa que utiliza el proceso de recuperación de energía, el cual captura y reutiliza la energía inicial del haz después de completar cada recorrido al circuito. Al final de cada recorrido, en vez de desaprovechar el haz usado de electrones de alta energía, su energía es extraída para un uso prolongado, que acaba con valores muy bajos de energía y por tanto mucho menos peligrosos que los iniciales. La recuperación de energía se traduce en un ahorro significativo de la misma, o alternativamente, en aceleradores y fuentes de luz con intensidades y potencias sin precedentes que tienen el mismo consumo de energía que los convencionales.

Susan Smith, jefa del APG (Accelerator Physics Group) en el Laboratorio de Daresbury del STFC, reconoce sin embargo que si bien el logro alcanzado es importante, el sistema todavía no ha funcionado a pleno rendimiento. Cuando esté en servicio y operando a pleno rendimiento, el ALICE creará aceleraciones de hasta 35 millones de voltios, hará circular los electrones al 99,99 % de la velocidad de la luz y se recuperará el 99,9 % de la energía en la etapa final del acelerador, propiciando que las fuentes de energía para la aceleración sean mucho más pequeñas y baratas, y por tanto mucho más asequibles económicamente. Las partículas tendrán que desvelarnos sus secretos, quieran o no. Ya sólo es cuestión de tiempo, no tanto de dinero.