Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) han alcanzado un logro significativo al diseñar y probar el cañón de electrones polarizados de mayor voltaje y alta intensidad del mundo. Este dispositivo será un componente esencial del futuro Colisionador Electrón-Ión (EIC), que tiene como objetivo explorar la estructura interna de los protones y los núcleos atómicos, así como comprender cómo los spins de los quarks y gluones contribuyen al spin del protón.
El cañón de electrones del BNL se distingue por varias características técnicas avanzadas. En primer lugar, acelera los electrones hasta el 80% de la velocidad de la luz, lo que equivale a más de 800 millones de Kilómetros por hora. Esta aceleración se realiza en un espacio de aproximadamente dos pulgadas (5 cm) en tan solo 2 x 10^-10 segundos, aumentando la energía de los electrones de 0 a 320 kiloelectronvolts (keV). Además, los bunches de electrones generados contienen aproximadamente 70 mil millones de electrones cada uno, lo que incrementa significativamente la probabilidad de colisiones efectivas con los núcleos atómicos.
Otra innovación técnica es el uso de un fotocátodo de arseniuro de galio (GaAs) con una estructura de superred, que permite la emisión de electrones con spins alineados, un aspecto crucial para la polarización. El diseño de alta tensión del cañón opera en un entorno de vacío extremo para proteger el fotocátodo de gases residuales que podrían dañarlo. Este dispositivo aplica voltajes de hasta 350 kilovoltios y utiliza un innovador conector de alta tensión para la entrega de voltaje dentro del vacío, eliminando la necesidad de gases aislantes perjudiciales para el medio ambiente.
Las pruebas han confirmado el éxito del dispositivo. El cañón ha funcionado sin mantenimiento durante seis meses, manteniendo un voltaje estable y cumpliendo con todos los requisitos del EIC. Las pruebas de calidad han confirmado que los electrones generados poseen las características necesarias para las colisiones en el colisionador.
El desarrollo de este cañón es parte de una colaboración entre el BNL, la Universidad de Stony Brook, el Laboratorio Nacional Thomas Jefferson y otras instituciones. En su próxima fase, el equipo se centrará en desarrollar componentes avanzados para la siguiente etapa de aceleración de electrones y en la creación de un cañón de electrones de muy alta corriente promedio.
Este trabajo ha sido financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, que es el mayor patrocinador de investigación básica en ciencias físicas en el país. Su apoyo ha sido fundamental para lograr estos avances en la ciencia y la tecnología. El uso de un entorno de vacío extremo en el cañón de electrones polarizados no solo protege el fotocátodo de gases residuales, sino que también es una estrategia que evita la necesidad de gases aislantes, contribuyendo a la preservación del medio ambiente.