Per comprendere la natura fondamentale del nostro universo, gli scienziati vorrebbero costruire collisori di particelle che accelerino gli elettroni e le loro controparti di antimateria (positroni) a energie estreme (fino a tera elettronvolt, o TeV). Con la tecnologia convenzionale, però, ciò richiede una macchina enormemente grande e costosa (si pensi a 20 miglia (32 km) di lunghezza). Per ridurre le dimensioni e il costo di queste macchine, l'accelerazione delle particelle, quanta energia guadagnano in una data distanza, deve essere aumentata.

È qui che la fisica del plasma potrebbe avere un impatto drammatico:un'onda di particelle cariche, un'onda di plasma, può fornire questa accelerazione attraverso il suo campo elettrico. In un acceleratore laser plasma, impulsi laser intensi vengono utilizzati per creare un'onda plasma con campi elettrici che possono essere migliaia di volte più forti di quelli ottenibili negli acceleratori convenzionali.

Recentemente, il team del BELLA Center di Berkeley Lab ha raddoppiato il precedente record mondiale di energia prodotta da acceleratori laser plasma, generando fasci di elettroni con energie fino a 7,8 miliardi di elettronvolt (GeV) in un plasma lungo 8 pollici (20 cm). Ciò richiederebbe circa 300 piedi (91 m) utilizzando la tecnologia convenzionale.

I ricercatori hanno raggiunto questa impresa contrastando la diffusione naturale dell'impulso laser utilizzando un nuovo tipo di guida d'onda al plasma. In questa guida d'onda, una scarica elettrica viene innescata in un tubo di zaffiro riempito di gas per formare un plasma, e un impulso laser "riscaldatore" perfora parte del plasma nel mezzo, rendendolo meno denso in modo da focalizzare la luce laser (Figura 1). Il canale del plasma è abbastanza forte da mantenere gli impulsi laser focalizzati ben confinati sulla lunghezza dell'acceleratore da 8 pollici.

"Il raggio del riscaldatore ci ha permesso di controllare la propagazione dell'impulso laser del driver, " ha affermato il dott. Anthony Gonsalves. "I prossimi esperimenti mireranno a ottenere un controllo di precisione sull'iniezione di elettroni nell'onda di plasma per ottenere una qualità del fascio senza precedenti, e di accoppiare più stadi insieme per dimostrare il percorso verso un'energia ancora più elevata."

Ottenere la prossima generazione di collisori elettrone-positrone alle energie TeV richiederà il collegamento di una serie di acceleratori laser al plasma, con ogni fase che dà alle particelle una spinta energetica. Il risultato del Berkeley Lab è entusiasmante perché 7,8 GeV riguarda l'energia necessaria affinché queste fasi siano efficienti.