aceleración por plasma láser

En un canal anular entre dos anillos dentados cuelgan microesferas: unas de 8 micrómetros de radio, otras de 14. Se enciende la descarga y las partículas se ponen en movimiento. Las pequeñas van hacia un lado, las grandes hacia el otro. Como en un centro comercial donde, para personas de distinta estatura, funcionan escaleras mecánicas que se mueven en direcciones opuestas.

En el sótano del laboratorio zumba un imán de 8 teslas. Dentro, como una campana en un campanario, cuelga un cilindro hueco de cobre afinado a una única nota. Si un axión, partícula de materia oscura, pasara cerca, el cilindro respondería con un débil tañido.

Un blanco de gas se parece a un embudo: cuanto más inclinadas son sus paredes, más fuerte es el flujo. Solo que en este embudo no fluye agua, sino luz ultravioleta, que nace cuando un potente pulso láser atraviesa una nube de argón.

El resplandor azul en el agua alrededor de un reactor nuclear es luz que nace cuando una partícula cargada supera a la luz en ese medio. El efecto fue descubierto por Pável Cherenkov en 1934, y la teoría fue desarrollada por Ígor Tamm e Iliá Frank.

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.

Durante tres días seguidos, un láser golpeó un chorro de gas y, cada segundo, se generaba un haz de electrones con una energía comparable a la de un pequeño rayo. Antes, estos haces solo se obtenían en enormes salas donde el acelerador ocupaba un edificio entero. Ahora, todo el sistema cabe en una habitación y funcionó sin fallos durante 72 horas.

Cuando un rayo láser incide en un gas, arranca electrones de los átomos y los acelera hasta casi la velocidad de la luz. Estos electrones, al atravesar el plasma, emiten rayos X, como una estela luminosa dejada por una partícula veloz.

Dentro de una llamarada solar, las líneas magnéticas se rompen como gomas elásticas tensas y se vuelven a cruzar, liberando en minutos una energía que bastaría para abastecer a la humanidad durante millones de años. En el laboratorio, este proceso, la reconexión magnética, durante mucho tiempo solo se podía iniciar, pero no detener.

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.

El tirador apunta al blanco, aprieta el gatillo y escucha dos disparos: uno fuerte, otro suave. Así funciona la nueva instalación, solo que en lugar de balas hay un grupo de electrones, y en lugar de disparos, dos destellos de luz. Uno es de rayos X, el otro es terahercio. Vuelan hacia el mismo punto con un intervalo perfecto.

Una placa de cobre del tamaño de una moneda se vaporiza bajo el impacto del láser en milmillonésimas de segundo. La nube caliente de cobre se estrella contra el helio frío, como un chorro de vapor en el aire helado.

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

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.

El destello dura una milésima de segundo, pero en ese instante libera tanta energía como la que el Sol emite en un día. Estas señales, las ráfagas rápidas de radio, son captadas por los telescopios desde 2007, y su origen sigue siendo un misterio. Un nuevo trabajo propone una respuesta elegante: todo se debe a un amplificador cósmico.

En las enormes nubes de gas enrarecido que llenan el espacio entre las estrellas, algo bulle constantemente. Explosiones de supernovas, flujos que chocan: todo esto agita el plasma. Y en estas ondas, según se ha descubierto, se esconde un mecanismo que da origen a los campos magnéticos.

En la constelación del Águila, a unos 40 mil años luz de nosotros, funciona uno de los aceleradores naturales más potentes de la Galaxia. Se trata del microcuásar GRS 1915+105, un par formado por una estrella normal y un agujero negro.

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?

Un niño en un columpio: si lo empujas con demasiada fuerza, sale disparado. Así, aproximadamente, la luz intensa arranca electrones de los átomos. Parecería que cuanto más fuerte es el empujón, más segura es la destrucción. Pero en el mundo cuántico todo es distinto: cuando la fuerza del campo supera cierto umbral, el átomo se congela de repente.

El universo habla dos lenguajes fundamentales: la gravedad y la luz. En condiciones normales no se mezclan: las ondas gravitacionales se deslizan a través de la materia sin dejar rastro, mientras los fotones danzan en laberintos de espejos.

Normalmente, los isótopos se separan aprovechando la diferencia en el peso del núcleo. Es una diferencia diminuta, como si clasificáramos granos de arena que se distinguen por una centésima de milímetro. El nuevo método no se fija en el peso, sino en la rotación del núcleo: su espín.

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.

El láser golpea un blanco de alambres delgados y, en decenas de femtosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), arranca de ellos un flujo de protones. Estos protones entran en un convertidor de litio y deuterio, donde nacen los neutrones.

Cerca de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, el plasma burbujea como el agua en una tetera hirviendo. Pero en esta 'tetera' no hay paredes, solo campos magnéticos que se retuercen y se rompen.

Cuando el agua hierve en una tetera, ondas de vapor se expanden por la cocina. En el espacio ocurre un proceso similar en el plasma, un gas tan caliente que los electrones se separan de los átomos. Alrededor de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, este plasma no solo es caliente: las partículas se mueven a casi la velocidad de la luz.

El láser golpea una diminuta rejilla de vidrio y los electrones, al atravesarla, se aceleran. Es imposible ver el interior, así que lo que ocurre se deduce de la energía de los electrones tras la aceleración, igual que por las salpicaduras de una piedra se deduce su forma.

Un destello láser de 50 femtosegundos es como un disparo que dura una milmillonésima de segundo. En ese tiempo, la luz recorre solo 15 micrómetros, menos que el grosor de un cabello humano. Pero si ese destello se hace pasar por un amplificador, empieza a estirarse como una goma elástica y pierde su nitidez.

El diamante es el material natural más duro, y normalmente su tallado se parece al trabajo de un escultor con un martillo neumático: brusco, con grietas y astillas.

Un láser potente impacta en un diminuto blanco, que al instante se convierte en una nube de gas incandescente: plasma. En esa nube nacen espontáneamente campos magnéticos. Actúan como manos invisibles que impiden que el calor escape libremente del centro caliente.

En lo profundo de la constelación del Águila se esconde una nebulosa que parece una burbuja que se infla. La infla una diminuta estrella del tamaño de una ciudad: un púlsar que da varias vueltas por segundo y pierde energía de rotación. Normalmente, estas burbujas brillan exactamente con la intensidad que permite su púlsar.

Dentro de los grandes aceleradores de partículas hay cámaras metálicas huecas donde se aceleran los haces. Con el tiempo, en sus paredes se deposita una capa de suciedad, como en una olla vieja. Esa suciedad impide que el acelerador funcione a plena potencia.

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.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos y que conduce la electricidad. En el espacio, este gas suele estar tan enrarecido que las partículas casi no chocan entre sí, y su comportamiento se describe mediante las ecuaciones de movimiento de cada partícula.

Un pulso láser que viaja a través de un plasma es como un corredor que se abre paso entre la multitud: empuja a los electrones y deja tras de sí un canal de baja densidad, igual que la gente se aparta ante un velocista.

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.

Un pulso láser corto golpea el aire y en el punto de impacto se enciende un diminuto relámpago. Vive más de lo que parece: el brillo intenso se ve durante medio milisegundo, y el débil, casi veinte milisegundos.

Una diminuta mota de plata nace en el haz de un láser y empieza a crecer de inmediato, más rápido que un parpadeo. Un microscopio normal no puede seguir ese ritmo, por lo que hasta ahora nadie había visto cómo aparece y crece una nanopartícula. Ahora los científicos tienen una herramienta que filma esta "película" fotograma a fotograma.

La luz de una lámpara común es un caos: los fotones salen disparados en todas direcciones, sin orden alguno. Pero si se consigue que muchos átomos emitan luz simultáneamente y al unísono, se obtiene un destello corto y potente, como los aplausos que de palmadas individuales se convierten en una salva única. Esta emisión coordinada se llama superradiancia.

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.