I ricercatori del SLAC National Accelerator Laboratory, negli Stati Uniti, hanno stabilito un nuovo primato, ottenendo il fascio di elettroni più potente mai creato. Grazie all’acceleratore lineare FACET-II, gli scienziati sono riusciti a comprimere una corrente ultra-intensa da 100.000 ampere in un brevissimo intervallo di tempo. Il risultato ha prodotto un campo elettrico circa cinque volte più forte rispetto ai limiti precedenti, aprendo nuove prospettive per la ricerca in diversi ambiti, dall’astrofisica alla scienza dei materiali.
Una tecnica rivoluzionaria per un’energia senza precedenti
Il metodo sviluppato dal team permette di guidare fasci di elettroni lungo un percorso magnetico, comprimendoli in un impulso ultra-concentrato capace di generare più di un petawatt di potenza in un milionesimo di miliardesimo di secondo. Da quasi un secolo, gli acceleratori di particelle sono strumenti essenziali per la fisica, sfruttando campi elettromagnetici oscillanti per spingere particelle cariche a velocità vicine a quelle della luce.
Durante questi processi, quando gli elettroni cambiano traiettoria, il loro stesso campo elettromagnetico genera un’intensa emissione di raggi X, utile per ottenere immagini dettagliate della materia. Questo principio viene utilizzato, ad esempio, nei laser a elettroni liberi, fondamentali per la ricerca avanzata in fisica e chimica.
L’innovazione nella compressione degli elettroni
Per ottenere fasci di elettroni sempre più intensi e collisioni più energetiche, è necessario ridurre al minimo la dispersione dell’energia nel tempo. Dato che gli elettroni viaggiano già a velocità prossime a quella della luce, aumentare ulteriormente la loro velocità non è un’opzione. Tuttavia, esiste un’altra strategia: comprimere il fascio in modo che un numero maggiore di elettroni si concentri in uno spazio ridottissimo.
Gli elettroni all’interno dell’acceleratore non si muovono in modo uniforme, ma sono distribuiti lungo le onde elettromagnetiche che li trasportano. Alcuni si trovano su creste di alta energia, mentre altri rimangono nelle valli a energia inferiore. La sfida è stata trovare un modo per rallentare gli elettroni meno energetici senza disperdere l’energia complessiva del fascio.
Un trucco magnetico per concentrare l’energia
Per risolvere questo problema, i fisici hanno impiegato un ostacolo magnetico simile a una chicane automobilistica, che obbliga le particelle meno energetiche a percorrere una traiettoria leggermente più lunga. Questo sistema consente di allineare meglio gli elettroni e ridurre la dispersione dell’energia. Tuttavia, un effetto collaterale inevitabile di questa deviazione è la perdita di energia sotto forma di raggi X ad alta frequenza.
Per compensare questa perdita, il team ha introdotto un secondo dispositivo magnetico chiamato ondulatore, progettato per oscillare gli elettroni avanti e indietro lungo una nuova traiettoria. Inoltre, un impulso di luce laser ha permesso di regolare ulteriormente la distribuzione delle particelle, garantendo una compressione ancora più efficace.
Grazie a questo innovativo mix di tecniche, gli scienziati sono riusciti a concentrare un numero elevato di elettroni in uno spazio di appena un terzo di micrometro, ottenendo così un vero e proprio fulmine in bottiglia. Questa scoperta apre la strada a sviluppi futuri, con la possibilità di comprimere fasci di elettroni ancora più intensi e migliorare le applicazioni della fisica delle particelle su scala globale.
