El acelerador de partículas más grande del mundo, el gran colisionador de hadrones (LHC), se encuentra en un túnel circular a unos cien metros debajo de la frontera francesa suiza cerca de Ginebra. Es enorme, algunos 17 kilómetros de circunferencia, y capaz de acelerar las partículas subatómicas a las energías de 10^12 Electronvolts (Tera EV o TEV), los más altos jamás logrados.
Construido en la década de 1990 y se encendió en los novios, el LHC se está volviendo viejo y los físicos ahora quieren aplastar partículas en energías aún más altas para ver si algo nuevo surge de los restos. El problema es que estas energías más altas generalmente requieren túneles más largos para albergar aceleradores más grandes y hambrientos de energía, que son difíciles y costosos de construir.
Por lo tanto, los físicos buscan máquinas más baratas y más pequeñas que puedan lograr una mayor energía en un pequeño espacio y con una fracción del costo.
Ahora Bifeng Lei en la Universidad de Liverpool en el Reino Unido, y sus colegas, dicen que han resuelto en principio cómo lograr 10^15 Electronvolts (PETA EV o PEV) en un dispositivo del tamaño de una mesa. Su máquina podría allanar el camino para una nueva generación de aceleradores compactos que podrían ayudar a estudiar el comportamiento de la materia bajo campos eléctricos ultra altos, relevantes tanto para la física de las partículas como para la astrofísica.
“Este trabajo representa una vía prometedora para el desarrollo de aceleradores de partículas ultra competentes y de alta energía”, dicen.
Los aceleradores de partículas como el LHC funcionan propulsando repetidamente las partículas cargadas a través de campos electromagnéticos, aumentando gradualmente su energía con cada pase. La aceleración de partículas cargadas tiene lugar dentro de cavidades llenas de potentes ondas electromagnéticas de radiofrecuencia. En efecto, las partículas se aceleran por surf en estas ondas.
Sin embargo, las poderosas ondas de radiofrecuencia son difíciles de generar, lo que requiere costosas cavidades superconductoras enfriadas a la temperatura del helio líquido.
Otra forma de acelerar las partículas es dentro de un plasma. El truco aquí es tallar una ruta a través del plasma usando un láser o haz de electrones y luego permitir que las partículas cargadas “surfan” en la estela resultante.
Los llamados aceleradores de Wakefield son más compactos y energéticamente eficientes. Pero su poder de aceleración está limitado por la densidad del plasma, que generalmente es una sustancia gaseosa con menos de 10^18 partículas por centímetro cúbico. Eso es significativamente menor que la densidad de electrones libres en un metal que puede ser tan alto como 10^24 por centímetro cúbico.
Es fácil imaginar que los metales deben ser excelentes aceleradores de partículas. Sin embargo, los físicos aún no tienen láseres de rayos X lo suficientemente potentes como para tallar un camino a través de tales plasmas de alta densidad en los metales, por lo que aún no se han explotado.
El avance que LEI y CO han hecho es resolver cómo explotar densidades de plasma similares en un material completamente diferente: una variedad de nanotubos de carbono.
En teoría, las paredes de los nanotubos de carbono albergan un mar de electrones degenerados que tienen una densidad similar a los metales. Pero también tienen un centro hueco y relleno de vacío en el que los electrones pueden moverse, si son empujados con suficiente potencia.
Por lo tanto, los materiales que investigan consisten en una variedad de nanotubos de carbono con un agujero interno, como un paquete de espagueti secos con algunos hilos retirados del centro para crear una vía en todo momento.
Luego, el equipo simula el efecto de la transmisión de un pulso de electrones a través de este pasillo, utilizando los nanotubos de carbono circundantes como guías de onda. El haz interactúa con los electrones en las paredes de los nanotubos, forzándolos hacia afuera a medida que pasa y luego de regreso a su posición original después.
Esto establece un poderoso campo eléctrico dentro del nanotubo de carbono que sigue el haz de electrones a medida que se mueve. Es este campo eléctrico el que puede acelerar otras partículas cargadas. Este mecanismo de aceleración de Wakefield, ya explorado en aceleradores basados en plasma, adquiere una forma nueva y altamente eficiente dentro de la geometría confinada de los nanotubos.
En las simulaciones, los investigadores muestran que esta configuración puede generar gradientes de aceleración en el rango de cientos de TEV por metro, órdenes de magnitud mayores que los aceleradores de RF convencionales, como los del LHC. “En principio, los electrones se pueden acelerar a las energías de PEV en distancias de varios metros”, dicen Lie and Co.
El equipo mapeará cómo las instalaciones actualmente disponibles en CERN y otros laboratorios de física de partículas podrían usarse para probar la idea en la práctica.
Sin embargo, hay algunas limitaciones potenciales. Una es que si el campo dentro de los nanotubos es demasiado grande, los electrones se pueden explotar por completo y, por lo tanto, no vuelva a sus posiciones originales y no configure un campo de aceleración. Por lo tanto, se necesitará una calibración cuidadosa para evitar tales reventones.
Otra es que los investigadores deben crear un pulso de electrones altamente compacto y denso para pasar a través del pasaje de nanotubos de carbono para empezar. Los pulsos de esta densidad pronto pueden ser posibles con equipos de última generación en los laboratorios de física de partículas líderes del mundo.
Si estos experimentos tienen éxito, los aceleradores de nanotubos de carbono podrían revolucionar varios campos. Los poderosos aceleradores compactos podrían permitir nuevos experimentos de física de partículas sin requerir infraestructura a escala de kilómetro.
Los aceleradores miniaturizados podrían avanzar en la radioterapia para el tratamiento del cáncer, proporcionando vigas de electrones o iones de alta energía con precisión sin precedentes. El mismo tipo de dispositivo también podría usarse para el procesamiento avanzado de materiales, pruebas no destructivas y escaneo de seguridad o incluso como una nueva tecnología de propulsión para la nave espacial.
Los campos eléctricos enormemente potentes dentro de estas máquinas también podrían permitir a los físicos reproducir las condiciones dentro de ciertos fenómenos astrofísicos.
Lie y Co son optimistas sobre su potencial. “El acelerador de plasma de estado sólido basado en nanotubos de carbono ofrece un potencial transformador para avanzar en el desarrollo de aceleradores de partículas ultra competentes, abriendo nuevas vías para varias aplicaciones avanzadas”.
Ref: Aceleradores de partículas de nivel 100S TEV/M basados en nanotubos de carbono impulsados por haces de electrones de alta densidad: arxiv.org/abs/2502.08498v1