Un impulso electrónico 6000 veces más potente que un rayo: el nuevo récord de los físicos

Los físicos del laboratorio SLAC en Menlo Park han establecido un nuevo récord en la tecnología de aceleradores. Han conseguido generar un flujo de electrones con parámetros de corriente y potencia pico sin precedentes. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Physical Review Letters.

Hasta ahora, los potentes láseres eran la principal herramienta para numerosos experimentos científicos, desde la fisión de átomos hasta la simulación de condiciones en el interior de los planetas. Ahora, los científicos cuentan con un nuevo instrumento: haces de electrones que alcanzan una potencia comparable, lo que abre posibilidades radicalmente nuevas para la investigación.

El principio básico de funcionamiento de la instalación parece sencillo: hay que concentrar la máxima carga eléctrica en el menor intervalo de tiempo posible. En la práctica, el equipo de SLAC logró alcanzar una corriente de 100 kiloamperios con una duración de solo una cuatrillonésima de segundo. Para ponerlo en perspectiva: una toma de corriente doméstica transporta aproximadamente 16 amperios, mientras que un rayo genera una corriente del orden de 30 kiloamperios.

El elemento clave del experimento es un acelerador en anillo que recuerda a una pista de carreras para electrones. Dentro de la instalación, las partículas son aceleradas mediante potentes imanes en una cámara de vacío, donde "surfean" sobre ondas de radio de manera similar a como un surfista se desliza sobre la cresta de una ola. Los investigadores lograron que los electrones alcanzaran una velocidad equivalente al 99% de la velocidad de la luz, es decir, aproximadamente 297 000 kilómetros por segundo.

En las curvas del circuito, los electrones se ven obligados a desviarse de su trayectoria recta, lo que provoca una desaceleración y una pérdida de energía. Para solucionar este problema, los físicos formaron un haz de electrones de un milímetro de longitud y lo dirigieron por una trayectoria más recta. Esto permitió a las partículas atravesar las curvas con menores pérdidas.

Cuando se desplazan por esta trayectoria, los electrones en la parte delantera del haz se encuentran en una región más plana de la onda de radio. Como resultado, pierden más energía al pasar por las curvas, un fenómeno que los físicos denominan "chirp". Luego, una secuencia de imanes obliga al haz a oscilar: primero hacia la izquierda, luego hacia la derecha y nuevamente hacia la izquierda antes de regresar a su trayectoria principal.

El campo magnético afecta a los electrones de manera diferente según su energía. Las partículas con menor energía se desvían más y recorren un camino más largo. Esto permite que los electrones más rápidos alcancen a los más lentos, lo que conduce a la compresión del haz en su conjunto. Un imán adicional en el trayecto de las partículas provoca la conversión de parte de su energía en luz, lo que intensifica aún más la diferencia de energía entre la parte delantera y trasera del haz.

Los ingenieros diseñaron el acelerador de tal manera que el impulso electrónico pudiera completar múltiples vueltas en la trayectoria en anillo. En cada vuelta, su duración se reducía, pero su potencia aumentaba. En la fase final del experimento, los físicos lograron un resultado sorprendente: la longitud del haz se redujo a solo 0,3 micrómetros, lo que equivale aproximadamente a la longitud de onda de la luz violeta y es 200 veces menor que el grosor de un cabello humano.

Lo más impresionante es que el equipo logró controlar con precisión extrema la forma y densidad del flujo de partículas. Esto fue posible gracias a un ajuste fino de los campos magnéticos y a un cálculo exacto de la trayectoria de las partículas. Cada componente de la instalación, desde la cámara de vacío hasta el sistema de imanes, opera en un modo estrictamente definido, garantizando las condiciones necesarias para la formación de un impulso ultrapotente.

La tecnología desarrollada tendrá aplicaciones en diversos campos científicos. Permitirá a los investigadores estudiar reacciones químicas ultrarrápidas, observando el movimiento de los electrones entre los átomos. Los haces de electrones de alta potencia facilitarán la creación de nuevos tipos de plasma, el cuarto estado de la materia, en el que los átomos pierden sus electrones. Además, los experimentos con estos haces ayudarán a profundizar en la comprensión de la naturaleza del vacío, un espacio que, según la teoría cuántica, está lleno de misteriosas partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente.