Los láseres impulsan un acelerador de partículas que (casi) cabe en una moneda
Tiene menos de una 50 millonésima parte del tamaño del Gran Colisionador de Hadrones y probablemente también sea bastante más barato.
Vale, este acelerador de partículas no cabe en una moneda de un centavo, pero podría funcionar en una más grande.
Crédito de la imagen: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel
Los filósofos medievales debatieron cuántos ángeles podían bailar sobre la cabeza de un alfiler; En su lugar, los científicos modernos están a punto de colocar un acelerador de partículas en uno.
Los físicos de partículas han anunciado la demostración de un nanoacelerador que utiliza láseres para empujar electrones a altas velocidades. Naturalmente, máquinas diminutas como ésta no van a reemplazar a máquinas enormes del tamaño de ciudades en el corto plazo, pero deberían abordar cuestiones que no requieran llevar la materia a tales extremos y podrían hacer que los tratamientos médicos sean mucho más específicos.
Junto con los aceleradores de partículas gigantes, como los del CERN, existe una variedad de aceleradores más pequeños, hasta aquellos que pueden sentarse en una (grande) mesa de trabajo y mover partículas cargadas a velocidades más modestas. Necesitan ser así de grandes porque utilizan ondas de radiofrecuencia, cuyas longitudes de onda están demasiado separadas para algo más corto, para acelerar. En una era de miniaturización, los físicos han soñado con ser aún más pequeños utilizando la luz óptica como fuerza para ahorrar dinero y energía. Sin embargo, las ganancias de energía logradas con dispositivos microscópicos fueron demasiado pequeñas para ser útiles.
Ahora, los equipos de la Freidrich-Alexander-Universität (FAU) y de Stanford afirman haber proporcionado cantidades útiles de energía utilizando aceleradores de partículas apenas lo suficientemente grandes como para verlos. Para lograrlo, tuvieron que combinar avances recientes con una idea que alguna vez fue popular y que recientemente ha sido descuidada.
Los aceleradores nanofotónicos, también conocidos como aceleradores láser dieléctricos, tienen menos de medio milímetro (0,02 pulgadas) de largo y empujan electrones por un canal de 225 nanómetros (0,000009 pulgadas) de ancho. Ráfagas muy cortas de pulsos láser aceleran las partículas. A diferencia de las superficies metálicas, que no pueden soportar longitudes de onda más cortas que el espectro de radio, los materiales dieléctricos pueden funcionar con luz óptica.
"La aplicación soñada sería colocar un acelerador de partículas en un endoscopio para poder administrar radioterapia directamente en la zona afectada del cuerpo", afirmó en un comunicado el Dr. Tomáš Chlouba de la FAU. Chlouba y los coautores reconocen que aún no han llegado a ese punto, pero afirman haber logrado avances importantes. "Por primera vez podemos hablar realmente de un acelerador de partículas en un chip", afirmó el Dr. Roy Shiloh.
Si solo desea acelerar una partícula cargada a la vez, puede ser relativamente fácil, pero rara vez es algo útil. Los aceleradores de partículas, pequeños y grandes, enfrentan el desafío de mantener juntas las partículas con la misma dirección de carga mientras su repulsión mutua las hace dispersarse.
El equipo abordó este problema utilizando el enfoque de fase alterna (APF), un enfoque con el que los físicos habían jugado cuando construyeron los primeros aceleradores. Las leyes físicas dictan que es imposible enfocar partículas cargadas en las tres direcciones a la vez. APF soluciona esto utilizando láseres para enfocar un grupo de electrones en una dimensión mientras les permite desenfocarse en otra, antes de invertir las dimensiones. El efecto neto es enfocarse en ambas direcciones y puede repetirse hasta que las partículas estén muy agrupadas.
Hace dos años, el equipo de la FAU demostró que al pasar electrones entre una serie de pilares, los electrones pueden enfocarse o desenfocarse repetidamente en celdas sucesivas en una escala de tiempo casi inimaginablemente corta. “A modo de comparación”, dijo entonces el Dr. Johannes Illmer, “el gran colisionador de hadrones del CERN utiliza 23 de estas células en una curva de 2.450 metros [8.040 pies] de largo. Nuestra nanoestructura utiliza cinco células de acción similar en tan solo 80 micrómetros. "
Ahora, el equipo de la FAU ha construido un acelerador de partículas completamente funcional en un chip utilizando esta técnica, agregando 12 kiloelectrones voltios, un aumento del 43 por ciento en la energía de los electrones involucrados. El próximo objetivo es aumentar esta ganancia de energía hasta el punto en que pueda usarse en medicina, por ejemplo para irradiar tumores, lo que requerirá un aumento de energía 100 veces mayor. "Tendremos que ampliar las estructuras o colocar varios canales uno al lado del otro", dijo Chlouba.
El trabajo del equipo de la FAU se publica en Nature. El trabajo del equipo de Stanford aún está bajo revisión por pares, pero hay una preimpresión disponible en arXiv.