Il laser più intenso del mondo sta per ottenere un aggiornamento di potenza con $ 2 milioni dalla National Science Foundation.

Con più energia laser per mettere a fuoco, ricercatori dell'Università del Michigan e collaboratori di tutto il mondo possono realizzare dispositivi da tavolo migliori che producono fasci di particelle e raggi X per applicazioni mediche e di sicurezza nazionale ed esplorare anche i misteri dell'astrofisica e del regno quantistico.

La potenza del laser HERCULES deriva da una serie di cinque laser "a pompa" incorporati che amplificano impulsi di luce ultracorti. Per aumentare la potenza di HERCULES da 300 trilioni di watt, o terawatt (TW), a 500 o anche 1, 000 TW, i ricercatori sostituiranno gli ultimi tre di quei laser a pompa.

Se ERCOLE può raggiungere 1, 000 TW, sarebbe ancora una volta tra i laser più potenti negli Stati Uniti. Indipendentemente da ciò, l'aumento di potenza aumenterà la posta sul suo record di intensità:attualmente 20 sestilioni (2x1022) di watt per centimetro quadrato. L'HERCULES migliorato dovrebbe essere in grado di raddoppiare o addirittura triplicare tale intensità.

Un decennio fa, quando gli ingegneri del Michigan costruirono per la prima volta HERCULES, i laser a pompa commerciale su cui si basa il sistema non potevano raggiungere gli ambiziosi 300 TW, record all'epoca, che i ricercatori avevano in mente. Hanno dovuto costruire i propri laser a pompa. Ora, guidato da una domanda di progetti internazionali che cercano livelli di potenza a nord di 10, 000 TW, i laser a pompa commerciale possono superare le versioni fatte in casa che funzionano oggi in HERCULES. Questa nuova tecnologia è ciò che spingerà HERCULES a una potenza e intensità più elevate che mai.

"Questo aggiornamento consente un'ampia varietà di esperimenti diversi, " ha detto Karl Krushelnick, professore di ingegneria nucleare e scienze radiologiche e direttore del Center for Ultrafast Optical Science, che ospita ERCOLE. "Ci sono queste applicazioni entusiasmanti, e apre anche un nuovo regime proprio alla frontiera della fisica del plasma, dove i fenomeni quantistici iniziano a svolgere un ruolo importante."

Questo è ciò che i ricercatori devono aspettarsi:

• Acceleratori da tavolo:gli acceleratori di particelle convenzionali sono spesso lunghi centinaia di metri, ma la luce laser può alimentare l'accelerazione delle particelle e produrre altri raggi ad alta energia come i raggi X in pochi metri quadrati o meno. Nel futuro, gli acceleratori di particelle azionati dal laser possono aiutare a rivelare una nuova fisica o guidare laser a raggi X ultra compatti. I fasci di particelle e raggi X possono essere utilizzati anche per determinare la presenza di materiali nucleari nei container che arrivano ai porti. Sono utilizzati per trattamenti medici come la radioterapia.
• Raggi X che differenziano tra i tessuti molli:i raggi X ad alta energia emessi dagli acceleratori laser potrebbero consentire l'imaging a raggi X avanzato in grado di trovare i confini tra i tessuti molli, al contrario dei raggi X convenzionali, che sono i migliori per individuare materiali densi come l'osso. Quando i raggi X di un acceleratore laser viaggiano attraverso materiali diversi, le loro onde vanno fuori sincrono a diversi gradi, e questo può distinguere tra un polmone e un cuore, Per esempio. Questo metodo di misurazione sarebbe più economico e offrirebbe risultati più rapidi rispetto a una risonanza magnetica.
• Lampi di raggi gamma:misteri astrofisici:come vengono prodotti nello spazio i bagliori di potenti radiazioni elettromagnetiche che durano non più di pochi secondi? Una teoria sostiene che campi magnetici molto forti, vicino ai buchi neri per esempio, potrebbe rompersi. Quando le linee del campo magnetico tornano insieme possono accelerare le particelle che rilasciano queste potenti esplosioni di energia elettromagnetica sotto forma di raggi gamma. Utilizzando il laser HERCULES in laboratorio, il team può creare forti campi magnetici su scale microscopiche che possono rompersi e riconnettersi allo stesso modo, facendo luce sul fatto che questo sia davvero il meccanismo alla base dei lampi di raggi gamma.
• Domande sull'elettrodinamica quantistica a campo forte:l'elettrodinamica quantistica, la descrizione quantistica della luce e le sue interazioni con la materia, non è stata adeguatamente testata in alcune situazioni estreme. Per esempio, quando i campi elettrici sono abbastanza forti, è previsto che si verifichi il fenomeno di "ebollizione del vuoto":materia e antimateria possono apparire spontaneamente dal nulla. Campi elettrici così forti possono essere trovati nelle atmosfere delle stelle di neutroni, Per esempio. Il laser HERCULES aggiornato può simulare questi ambienti accelerando gli elettroni fino a raggiungere la velocità della luce, così che, dal punto di vista degli elettroni, i campi sono abbastanza forti da generare particelle dal vuoto. Osservando il comportamento degli elettroni, i ricercatori possono dedurre se le previsioni dell'elettrodinamica quantistica sono accurate.

Krushelnick prevede che le capacità ampliate di HERCULES consentiranno ai ricercatori di U-M specializzati in queste aree di fare esperimenti che prima erano impossibili. Inoltre, HERCULES alimenta gli esperimenti per i ricercatori negli Stati Uniti e all'estero, quindi l'aggiornamento lo renderà più prezioso come risorsa scientifica nazionale.