enfoque de haz

Un pulso láser incide en una nube de gas y arranca electrones de ella, dejando tras de sí una burbuja: una cavidad donde apenas hay partículas. Esa burbuja viaja a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz, y sus paredes arrastran a los electrones que quedaron dentro, como una lancha rápida arrastra a un esquiador acuático.

Un rayo láser normal va recto, como la luz de una linterna. Pero la luz se puede retorcer en espiral, como el hilo de un sacacorchos. Ese rayo lleva momento angular orbital: no solo ilumina, sino que también hace girar todo lo que encuentra. Los físicos dirigieron esta luz retorcida hacia un plasma para acelerar electrones.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

Un láser de fábrica, que en producción corta y suelda metal, se ha hecho funcionar por primera vez como acelerador de partículas. Los físicos tomaron un láser estándar de iterbio —cuyo núcleo es un cristal del tamaño de una palma— y convirtieron sus destellos en una herramienta para acelerar electrones hasta casi la velocidad de la luz.

El cosmos está lleno de velocistas invisibles: partículas que corren casi a la velocidad de la luz. Se capturan en el viento solar, cerca de estrellas de neutrones e incluso en el vacío intergaláctico entre galaxias. Pero, ¿qué las acelera donde no hay ondas de choque ni reconexiones magnéticas?

Una manguera de jardín lanza un chorro fino y potente. Si la mueves sobre el terreno, puedes regar todo el huerto sin mojar los caminos. Algo así funciona el nuevo enfoque para tratar tumores profundos: en lugar de un haz ancho de radiación, se toma un haz estrecho de electrones acelerados casi a la velocidad de la luz y se escanea el tumor con él, como con un chorro de agua.

Buscar un punto de luz individual en una muestra oscura es como intentar encontrar una aguja en un pajar: el haz del microscopio avanza línea por línea, gastando tiempo y luz en vano. Los físicos sustituyeron este lento recorrido por patrones de luz aleatorios.

Imagina que necesitas examinar un copo de nieve sin dejar que se derrita ni se dañe. Algo así es lo que enfrentan los científicos que quieren estudiar proteínas individuales, esas diminutas máquinas moleculares de la vida. Una proteína en solución tiembla constantemente y se agrupa con sus vecinas, y en un microscopio electrónico el haz la destruye.

Un haz de electrones en un acelerador se parece a una bandada de pájaros: vuela en grupo compacto, pero con el tiempo se dispersa. Para mantener las partículas juntas, normalmente se utilizan imanes pesados. Aquí se prescindió de ellos: el haz se comprimió a sí mismo.

La lente 'ojo de pez' es un vidrio inusual: su índice de refracción cambia del centro al borde de modo que cualquier rayo emitido desde un punto arbitrario se concentra en el punto exactamente opuesto. Hacer una lente así con vidrio ordinario es casi imposible, pero los físicos encontraron un camino alternativo.

Las fuentes modernas de rayos X se parecen a una orquesta sin director: los electrones en el haz van cada uno por su lado y la radiación sale borrosa. La nueva idea es hacer que los electrones se alineen en filas uniformes con un paso de varios nanómetros. Entonces la luz que emiten se vuelve coherente, como un rayo láser.

Un blázar es una galaxia lejana desde cuyo centro surge un chorro de plasma dirigido casi directamente hacia nosotros. Dentro de ese chorro, las partículas se aceleran hasta velocidades cercanas a la de la luz y emiten una radiación potente.

El láser impacta el blanco y una nube de plasma sale disparada hacia la cámara a cientos de kilómetros por segundo. Alrededor no hay vacío: la cámara está llena de un gas enrarecido que hace las veces de medio interestelar.

La luz de una bombilla ordinaria es un flujo de fotones individuales, como gotas de un grifo. Pero existe luz donde los fotones viajan en parejas, como gemelos que caminan juntos. Esta luz agrupada se ha querido usar durante mucho tiempo para medir distancias y fotografiar objetos ocultos tras una esquina.

En los aceleradores gigantes, las partículas viajan casi a la velocidad de la luz y chocan de frente. Pero a veces un haz resulta un poco más denso que el otro, como si en una escalera mecánica abarrotada alguien se pusiera en el sentido contrario. Entonces las colisiones ocurren de manera desigual y los instrumentos empiezan a "parpadear", alterando las mediciones.

Incluso en un rayo láser hay un temblor invisible: el ruido cuántico. Los físicos han aprendido a «comprimirlo», como un globo apretado por la cintura: el ruido se atenúa en una dirección pero se amplifica en otra. Los científicos escondieron el ruido sobrante donde no interfiera con las mediciones precisas de luz.

Un haz de iones pesados en un acelerador se parece a una multitud que se empuja con los codos: cuanta más gente, más ancha es la multitud. Las partículas cargadas se repelen, y con corrientes superiores a unos pocos microamperios el haz se desparrama y pierde su forma.

El haz de una linterna, al pasar por una rendija estrecha, no se mantiene como una línea fina, sino que se dispersa hacia los lados. La luz tiende a rodear los bordes de los obstáculos, y por eso el punto de luz más pequeño que se puede obtener con una lente ordinaria no puede ser menor que media longitud de onda.