Publicado originalmente por Jennifer Ouellette em 27/02/2019 - ArsTechnica
Aceleradores de partícula podem acelerar partículas subatômicas à quase a velocidade da luz. O contrabalanço é que esta aceleração requer longos túneis de quilômetros de comprimento, então normalmente estas máquinas são tipicamente enormes e muito caras de serem construídas. Físicos estão veementes na construção de uma opção de mesa capaz de acelerar partículas ao nível dos centímetros. Pesquisadores no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley alcançaram agora o maior nível de energia já documentado usando estes "aceleradores de campo plasmático" e descrevem seu trabalho em um novo paper publicado no Physical Review Letters.
Os aceleradores de partículas enormes que normalmente vemos usam campos elétricos modulados dentro de cavidades metálicas para acelerar elétrons. O LHC do CERN é o maior já construído, com ímãs supercondutores servindo para acelerar elétrons à velocidades próximas a da luz. Por contraste, aceleração em campos plasmáticos envolve o disparo de intensos pulsos de laser em gás ionizado (plasma).
A onda resultante dos movimentos no plasma deixam uma outra onda de partículas carregadas por trás dessas outras ondas, como as ondas que vemos atrás de uma lancha, causada pelo motor enquanto zarpa. Então, um segundo laser pulsa ainda mais elétrons no plasma. Se isto é feito de maneira correta, esses elétrons conseguem surfar nas ondas criadas, da mesma forma que a onda de partículas carregadas foi criada. Os elétrons tiram deste campo energia para ter ainda mais velocidade, como se as ondas os acelerassem.
Vários grupos estão trabalhando na aceleração por campo plasmático, usando várias técnicas diferentes. Ainda no começo de fevereiro, o projeto do CERN, AWAKE, que usa uma fonte de prótons de alta energia como o motor para criar as ondas, diferente do pulso de laser usado pelo LBNL, conseguiu acelerar elétrons a energias de 2 GeV. O AWAKE está um pouco atrás da equipe de Berkeley nestes termos, mas o fato de duas técnicas diferentes de campos plasmáticos obterem bom progresso na aceleração é bom para a pesquisa.
Aceleradores de mesa prometem ter aplicações práticas em terapia médica, imagens em raio X e possivelmente aplicações de segurança. Têm tanta promessa, que em 2015 a Fundação Gordon e Betty Moore deu um aporte de 13,5 milhões de dólares para que a Universidade de Stanford desenvolvesse um "acelerador em chip" do tamanho de uma caixa de sapato até 2020. Da mesma forma que os computadores um dia preencheram salas inteiras e agora cabem em notebooks e tablets, a idéia é que haja técnicas de micro-fabricação para construir um acelerador de partículas portátil.
Este último paper constrói em cima do trabalho que foi feito no LBNL em 2014. Wim Leemans e sua equipe, à época, alcançaram a marca de aceleração de 4,25 GeV. Eles usaram uma descarga elétrica para criar plasma a partir de um gás contido em um pequeno tubo (similar a um raio catódico). Eles injetaram um pulso de luz laser para criar um canal no gás ionizado para conter este pulso, de forma similar a como os cabos de fibra ótica canalizam a luz. Também criaram ondas que podem 'prender' os elétrons livres e acelerá-los à alta energia.
Tal equipamento requer uma grande precisão e controle do feixo de luz laser, já que significa pulsá-lo através de um orifício de 500 mícrons de diâmetro a uma distância de 13 metros. Afortunadamente, o LBNL tem um dos laseres mais potentes e precisos do mundo funcionando no BELLA (laboratório de aceleração por laser). Mas, mesmo que o experimento de 2014 tenha sido um sucesso, a luz laser é tão poderosa que destruía a estrutura de safira e perdia o foco com recorrência.
Leemans e equipe sabiam que seria necessário criar canais de plasma que fossem menos densos no meio para alcançar energias ainda mais altas. Então, modificaram um pouco mais seus equipamentos, usando uma técnica da década de 90: atirar um pulso laser de 8 nanosegundos no tubo logo após a descarga (420 nanosegundos depois). O pulso aqueceria o plasma ao mesmo tempo que formaria um canal mais profundo capaz de confinar o laser. Isto tornou possível o uso de um tubo mais longo de 20 centímetros, diferente do tubo de 9 centímetros utilizado no experimento de 2014.
"O desenvolvimento de aceleração plasmática de alta estabilidade com energias próximas dos 10 GeV é um marco que está na rota do nosso laboratório para que sejam possíveis as primeiras aplicações," disse Leemans. "Desenvolvemos um novo conceito na caixa de ferramentas disponível, que junto com outros conceitos em aceleração, estabilidade e controle de feixos, permitirá fontes compactas de elétrons."
Mas ainda não chegamos lá. Escrevendo em 'Física', Florian Gruner da Universidade de Hamburgo nota que o desenvolvimento pivotal de 2004 na construção de aceleradores de 100 MeV lançou este novo campo de pesquisa em aceleração de campo plasmático. Ele comparou este marco com a publicação de 1865 de Júlio Verne, 'da Terra à Lua', e à subsequente conquista do espaço pelos humanos em 1961. Mas acha que ainda não alcançamos o marco da Lua, de 1969.
"Ainda não está claro quando faremos o pouso na Lua com os nossos equipamentos de aceleração em campo," escreve Gruner. "A chave para alcançar este objetivo será desenvolver um nível imprecedente de controle em todos os parâmetros da estrutura. Isto significa introduzir novas válvulas de ajuste para coisas como a energia final e o espalhamento de energia das partículas aceleradas."
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