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Los avances en la física nuclear continúan sorprendiendo al mundo. Recientemente, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven, en colaboración con el Acelerador Nacional Thomas Jefferson, han desarrollado el cañón de electrones polarizado de mayor voltaje jamás construido. Este dispositivo es fundamental para la construcción del Colisionador de Iones y Electrones (EIC, por sus siglas en inglés), una instalación de vanguardia que permitirá estudiar los componentes más profundos de la materia visible.
Este innovador cañón ha logrado disparar electrones a una velocidad impresionante del 80% de la velocidad de la luz, abriendo nuevas posibilidades en la investigación nuclear y de partículas. Con su reciente funcionamiento exitoso durante seis meses sin necesidad de mantenimiento, este avance marca un hito en la tecnología de aceleración de partículas. A continuación, exploramos cómo funciona este cañón y cuál es su impacto en la física moderna.
El desarrollo del cañón de electrones polarizado
El cañón de electrones polarizado accionado por láser y de corriente continua es una pieza clave en el Colisionador de Iones y Electrones (EIC). Este dispositivo es capaz de lanzar electrones a un 80% de la velocidad de la luz en tan solo cinco centímetros de recorrido, una hazaña impresionante considerando que se trata de 800 millones de kilómetros por hora.
La función principal de este cañón es generar haces de electrones con sus espines alineados, un factor esencial para estudiar la estructura interna del protón y entender mejor cómo interactúan los quarks y gluones en su interior.
El espín del protón sigue siendo uno de los misterios de la física de partículas, y este nuevo cañón es fundamental para desentrañar su naturaleza. Al permitir la colisión de electrones polarizados con protones polarizados, los científicos podrán obtener una «imagen» más detallada de la estructura del protón y sus interacciones internas. Para lograr esta precisión, el equipo de Brookhaven, liderado por el físico Erdong Wang, diseñó un fotocátodo especial de arseniuro de galio en colaboración con la Universidad Old Dominion y el Laboratorio Jefferson.
Un avance en la tecnología de aceleración de electrone
El cañón de electrones de Brookhaven utiliza un láser para liberar electrones del fotocátodo, ajustando la longitud de onda del láser para optimizar tanto la polarización como la eficiencia de los electrones. Cada pulso del láser produce haces cortos y densos de electrones, con aproximadamente 70 mil millones de electrones en cada uno de ellos. Estos electrones polarizados luego se aceleran hacia el colisionador para realizar las colisiones necesarias para la investigación.
El diseño de este cañón incluye varios avances innovadores. Uno de los más notables es su conector de alto voltaje, que elimina la necesidad de gases aislantes como el hexafluoruro de azufre (SF6), un potente gas de efecto invernadero. En su lugar, los científicos optaron por un conector en forma de cono lleno de fluido dieléctrico, lo que no solo mejora la seguridad del sistema, sino que también reduce su impacto ambiental.
Otro aspecto clave del diseño es la carcasa de vacío extremadamente alto que protege el fotocátodo y asegura que los electrones puedan ser acelerados sin interferencias. El sistema está diseñado para mantener la eficiencia durante largos períodos de tiempo, como lo demuestra su capacidad para operar sin mantenimiento durante seis meses.
Desafíos superados en la construcción
El desarrollo de este cañón no estuvo exento de desafíos. Uno de los problemas principales fue la fuga de gas hidrógeno desde el acero inoxidable del equipo, lo que podría haber interferido con los haces de electrones. Para solucionar este problema, los científicos recurrieron a una técnica única: pulieron las secciones de acero inoxidable utilizando mazorcas de maíz trituradas y hornearon el equipo a 1650 °F para eliminar los gases atrapados.
Este proceso, junto con otras innovaciones, permitió a los científicos ensamblar y probar con éxito el cañón de electrones. Tras eliminar los contaminantes de la superficie mediante un segundo horneado, el cañón alcanzó los 350 kilovoltios en solo 23 horas. Este resultado no solo superó las expectativas de rendimiento, sino que también permitió a los científicos generar electrones de alta calidad para las investigaciones del EIC.
Con el éxito de este cañón, el equipo de Brookhaven ya está trabajando en nuevas mejoras. Entre sus proyectos futuros se encuentra el desarrollo de pistolas de electrones de mayor voltaje y la creación de componentes avanzados para la siguiente etapa de aceleración. Estas mejoras serán fundamentales para aumentar aún más la eficiencia y precisión del EIC, permitiendo que los científicos continúen explorando los misterios más profundos de la física nuclear y de partículas.
El cañón de electrones polarizado de Brookhaven representa un avance crucial para la construcción del Colisionador de Iones y Electrones. Al permitir la aceleración de electrones a velocidades cercanas a la de la luz, este dispositivo abre nuevas oportunidades para investigar la estructura de la materia y desentrañar los secretos del espín del protón. Con innovaciones en diseño, sostenibilidad y rendimiento, el cañón se posiciona como una de las herramientas más avanzadas en el campo de la física nuclear.
El desarrollo del cañón de electrones polarizado de Brookhaven es un logro monumental en el mundo de la física nuclear. Su capacidad para acelerar electrones a velocidades cercanas a la luz, junto con su eficiencia y sostenibilidad, lo convierten en un componente clave del futuro Colisionador de Iones y Electrones. Este avance no solo mejorará nuestra comprensión de la estructura interna de los protones, sino que también ayudará a responder preguntas fundamentales sobre la materia y las fuerzas que la gobiernan. El éxito de este cañón es solo el comienzo de una nueva era en la física de partículas.
Referencia:
- Applied Physics Letters/High-intensity polarized electron gun featuring distributed Bragg reflector GaAs photocathode. Link.
Fuente: CerebroDigital.net
