A aceleração de eletrões em ondas plasma, que pode reduzir drasticamente o tamanho dos aceleradores de partículas, foi proposta pela primeira vez na década de 70, tendo as primeiras experiências surgido, no início dos anos 80, na Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA). A linha de investigação cresceu substancialmente ao longo das várias décadas que se seguiram, e eis que a mais recente edição da Revista Nature contempla o relato da primeira aceleração bem-sucedida de eletrões em ondas de plasma geradas por um feixe de protões. O artigo é o resultado da investigação conduzida pela colaboração AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment) no CERN, um projeto que pretende desenvolver um acelerador compacto para acelerar eletrões a energias muito altas em distâncias curtas. A investigação envolve mais de 15 instituições, entre os quais está representada o Instituto Superior Técnico, através de vários investigadores do Grupo de Lasers e Plasmas do Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear (IPFN).

Este trabalho publicado no passado dia 29 de agosto, assume-se como a primeira demonstração experimental da aceleração dos eletrões nas ondas de plasma geradas por um feixe de protões. “É a primeira demonstração experimental desta ideia. É a prova de conceito fundamental”, refere o docente do Técnico, o professor Jorge Vieira, um dos investigadores envolvidos neste projeto. “O artigo mostra que as ondas de plasma excitadas por um feixe de protões conseguem mesmo acelerar eletrões até energias elevadas, algo nunca tentado até hoje. O ganho de energia ainda é inferior a outras experiências de aceleração de plasma, mas a conclusão principal é que a ideia funciona”, acrescenta ainda o docente. “O potencial é tremendo e só agora começamos verdadeiramente a explora-lo”, assegura de seguida

A participação dos investigadores do Técnico na investigação, que começou em 2010, foi feita essencialmente através de teoria, simulações computacionais e experiências. A equipa inclui além do professor Jorge Vieira, o professor Luís Oliveira e Silva (coordenador da equipa), Nelson Lopes (investigador do Técnico), Ricardo Fonseca (professor do ISCTE – Instituto Universitário de Lisboa), bem como Mariana Moreira e Anton Helm, doutorandos na Escola. “As nossas contribuições teóricas e computacionais permitiram guiar e planear o desenvolvimento experimental, como por exemplo, determinar quais os plasmas que deveriam ser utilizados, quais as suas densidades, e qual o seu comprimento para que as observações agora reveladas pudessem ser bem-sucedidas”, explica o docente. Na componente experimental, por sua vez, coube aos investigadores do Técnico o desenvolvimento de uma tecnologia nova que permite desenvolver fontes de plasma muito longos, que são críticos para ganhos de energia mais elevados.

Acelerar partículas a maiores energias em distâncias mais curtas é crucial para alcançar colisões de alta energia usada pelos físicos para investigar as leis fundamentais da natureza, e cumulativamente também relevante numa ampla gama de aplicações médicas e industriais. “Estes resultados abrem as portas a novos tipos de aceleradores de partículas que poderão ser várias ordens de grandeza mais pequenos que os convencionais e com a mesma potência, adequado para novas descobertas em física fundamental”, destaca o investigador do Grupo de Lasers e Plasmas. “Concretizar este objetivo é importante porque estamos a entrar nos limites da tecnologia de aceleração convencional”, completa o docente, lembrando que o tamanho dos aceleradores convencionais não poderá crescer indefinidamente e destacando por isso o “potencial disruptivo” desta linha de investigação.

As potencialidades desta linha de investigação são imensas e lembradas pelo professor Jorge Vieira: “o esforço que tem vindo a ser desenvolvido poderá abrir a porta a aceleradores que podem ser tão pequenos que sejam apropriados para a investigação científica à escala universitária ou em hospitais, o que poderá provocar uma revolução no tipo de investigação acessível às universidades e em tratamentos médicos”. E estes são apenas alguns de muitos exemplos dos efeitos que esta aparentemente pequena experiência pode potenciar nesta tão vasta área.