El panorama general: Con su primer experimento de 2 petawatats completado con éxito, Zeus está listo para superar los límites de la ciencia de alto campo, proporcionando a los investigadores una nueva herramienta poderosa para el descubrimiento e innovación. El equipo continúa actualizando el sistema hacia toda su capacidad, incluso cuando los experimentos de los usuarios ya están en marcha.
La instalación de láser de Zeus en la Universidad de Michigan ha acumulado a los Estados Unidos a la vanguardia de la ciencia láser de alta intensidad. En su primer oficial experimentoZeus alcanzó una potencia máxima de 2 Petawatts: el doble de la producción de cualquier otro láser en el país. Aunque esto estalló, más de 100 veces la producción de electricidad total del mundo, dura solo 25 quintillñales de segundo, representa un hito importante en las capacidades de investigación estadounidenses.
«Este hito marca el comienzo de los experimentos que se mudan a un territorio inexplorado para la ciencia estadounidense de alto campo», dijo Karl Krushelnick, director del Centro Gérard Mourou para la Ciencia óptica ultrarrápida, que alberga a Zeus. La Universidad describe la instalación, construida por $ 16 millones, como una «ganga» dada su escala y potencial.
Con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Zeus opera como una instalación de usuario, dando la bienvenida a equipos de investigación de todo el país y de todo el mundo. Las propuestas para experimentos se seleccionan a través de un proceso de revisión independiente, asegurando que las capacidades del láser se usen para las consultas científicas más prometedoras. Se espera que la investigación realizada en ZEUS avance en campos como medicina, seguridad nacional, ciencia de los materiales, astrofísica, ciencia de plasma y física cuántica.
El sistema ZEUS se construye principalmente a partir de componentes comerciales e incorpora tecnologías avanzadas, que incluyen un amplificador de pulso de doble chirrido y filtros acústicos programables que preservan el ancho de banda y la fase precisos requeridos para los pulsos de alta potencia, de alta potencia. El láser puede entregar pulsos comprimidos tan breves como 20 femtosegundos, lo que permite una amplia gama de experimentos de vanguardia.
Dentro de un espacio aproximadamente del tamaño de un gimnasio escolar, Zeus alberga tres áreas objetivo distintas, cada una adaptada a aplicaciones de investigación específicas. El área objetivo 2 está diseñada para experimentos que involucran objetivos sólidos y aceleración de iones, mientras que el área objetivo 3 está optimizada para la aceleración de Wakefield láser y puede medir las energías de electrones hasta aproximadamente 5 GEV.
La capacidad de la instalación para dividir su haz le permite lograr intensidades hasta un millón de veces mayor que un solo haz solo, lo que permite el estudio de fenómenos extremos, como estructuras de aspiración cuántica y la creación de pares de materia antimateria desde el espacio vacío.
«Una de las mejores cosas de Zeus es que no es solo un gran martillo láser, sino que puede dividir la luz en múltiples vigas», dijo Franklin Dollar, profesor de la Universidad de California, Irvine, cuyo grupo está llevando a cabo el primer experimento de usuario en 2 Petawatts.
El equipo de Dollar, en colaboración con los científicos de Zeus, está trabajando para generar haces de electrones con energías comparables a las producidas por aceleradores de partículas de cientos de metros de longitud. Su objetivo es alcanzar las energías de electrones de cinco a 10 veces más altas que cualquiera de los que se logró previamente en Zeus.
«Nuestro objetivo es alcanzar energías de electrones más altas utilizando dos haces láser separados, uno para formar un canal guía y el otro para acelerar los electrones a través de él», explicó Anatoly Maksimchuk, un científico de investigación de la Universidad de Michigan que lidera el desarrollo de áreas experimentales.
Para lograr esto, los investigadores rediseñaron el objetivo al alargar la célula que contiene el gas de helio. Cuando el pulso láser golpea este gas, crea plasma quitando electrones de los átomos, convirtiendo el gas en una mezcla de electrones libres e iones cargados positivamente. Los electrones se aceleran a raíz del pulso láser, un proceso conocido como aceleración de Wakefield. Debido a que la luz viaja más lentamente a través del plasma, los electrones pueden alcanzar y montar el pulso, ganando más energía en una distancia más larga en el objetivo extendido menos denso.
Esta demostración de la potencia de Zeus sirve como precursor del experimento de firma de la instalación, que se espera más adelante este año, en el que los electrones acelerados chocarán con pulsos láser que viajan en la dirección opuesta. En el marco de referencia de los electrones, el pulso láser de 3 petawatt aparecerá un millón de veces más potente, un pulso a escala de Zettawatt, dando a Zeus su nombre completo: «Sistema de pulso láser ultrahort equivalente de Zettawatt».
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Los beneficios potenciales de ZEUS se extienden mucho más allá de la física, impactando los avances en la salud, la tecnología y el desarrollo económico, dijo Vyacheslav Lukin, director del programa en la División de Física de NSF. «La investigación fundamental realizada en la instalación de NSF ZEUS tiene muchas aplicaciones posibles, incluidos mejores métodos de imágenes para tejidos blandos y avanzar en la tecnología utilizada para tratar el cáncer y otras enfermedades», dijo.
Los experimentos de Zeus también pueden ayudar a explicar fenómenos astrofísicos como los aviones de positrones de los agujeros negros y las ráfagas de rayos gamma, unir la ciencia del laboratorio con algunos de los eventos más misteriosos del universo.
El viaje para lograr 2 Petawatts no ha estado exento de obstáculos. El cristal de zafiro dopado con titanio de casi 7 pulgadas de diámetro necesario para el amplificador final tardó varios años en adquirir. «El cristal que vamos a conseguir en el verano nos llevará a 3 Petawatts, y se tardó cuatro años y medio en fabricar», dijo Franko Bayer, gerente de proyectos de Zeus. «El tamaño del cristal de zafiro de titanio que tenemos, solo hay unos pocos en el mundo».
Los desafíos técnicos también surgieron durante la transición del láser Hercules de 300 terauteros al sistema de 1 petawatt de Zeus. El oscurecimiento inesperado de las rejillas de difracción se rastreó hasta los depósitos de carbono formados cuando el poderoso haz interactuó con moléculas residuales en la cámara de vacío. El equipo estableció límites operativos seguros para evitar más daños.
Desde su apertura en octubre de 2023, Zeus ha organizado 11 experimentos que involucran a 58 investigadores de 22 instituciones, incluidos los participantes internacionales. El modelo de usuario de la instalación es similar al de otros centros de investigación importantes, como el LCLS-II del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC, y ya está atrayendo colaboraciones globales.
Crédito de la imagen: Marcin Szczepanski
