Quando gli impulsi luminosi di un sistema laser estremamente potente vengono sparati su campioni di materiale, il campo elettrico della luce strappa gli elettroni dai nuclei atomici. Per frazioni di secondo, viene creato un plasma. Gli elettroni si accoppiano con la luce laser nel processo, raggiungendo così quasi la velocità della luce. Quando si vola fuori dal campione di materiale, tirano dietro di sé i nuclei atomici (ioni). Per studiare sperimentalmente questo complesso processo di accelerazione, i ricercatori del centro di ricerca tedesco Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno sviluppato un nuovo tipo di diagnostica per innovativi acceleratori di particelle basati su laser. I loro risultati sono ora pubblicati sulla rivista Revisione fisica X .

"Il nostro obiettivo è un acceleratore ultracompatto per la terapia ionica, cioè irradiazione del cancro con particelle cariche, " dice il fisico Dr. Thomas Kluge dell'HZDR. Oltre alle cliniche, la nuova tecnologia dell'acceleratore potrebbe avvantaggiare anche le università e gli istituti di ricerca. Però, molto lavoro di ricerca e sviluppo è necessario prima che la tecnologia sia pronta per l'uso. Il laser DRACO presso il Centro Helmholtz di Dresda raggiunge attualmente energie di circa 50 megaelettronvolt. Però, Sono necessari da 200 a 250 megaelettronvolt per irradiare un tumore con protoni.

Grazie ai suoi impulsi ultracorti nell'intervallo di pochi femtosecondi, un tempo durante il quale un raggio di luce percorre una distanza di una frazione di un capello umano, il laser DRACO raggiunge una potenza di quasi un petawatt. Ciò corrisponde a 100 volte la potenza elettrica media generata in tutto il mondo.

"Dobbiamo capire molto meglio i singoli processi coinvolti nell'accelerazione di elettroni e ioni, " dice Kluge. Insieme ai colleghi di Dresda, Amburgo, Jena, Siegen e gli Stati Uniti, i ricercatori dell'HZDR hanno osservato questi processi estremamente veloci praticamente in tempo reale presso lo SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University negli USA.

Per raggiungere questa impresa, gli scienziati hanno utilizzato due laser speciali contemporaneamente:il laser ad alta intensità allo SLAC ha una potenza di circa 40 terawatt, ovvero circa 25 volte più debole di DRACO. Quando si colpisce il campione di materiale (bersaglio), accende il plasma. Il secondo laser è un laser a raggi X, che viene utilizzato per registrare i singoli processi, dalla ionizzazione delle particelle nel bersaglio e dall'espansione del plasma, alle oscillazioni e instabilità del plasma che si verificano quando gli elettroni vengono riscaldati a diversi milioni di gradi Celsius, e l'efficiente accelerazione degli elettroni e degli ioni.

"Utilizzando il metodo di dispersione a piccolo angolo, abbiamo realizzato misurazioni nell'intervallo dei femtosecondi e su scale che vanno da pochi nanometri a diverse centinaia di nanometri, " dice la studentessa di dottorato di HZDR Melanie Rödel, che ha avuto un ruolo di primo piano nell'esperimento. Sono stati necessari diversi anni di lavoro per accedere a queste aree e ottenere segnali puliti sulle immagini di dispersione del laser a raggi X.

"La nuova diagnostica per acceleratori laser ha confermato in modo eccellente le nostre aspettative riguardo alla sua risoluzione spaziale e temporale. Abbiamo così aperto la strada all'osservazione diretta dei processi plasma-fisici in tempo reale, " dice la dottoressa Josefine Metzkes-Ng, capo di uno dei gruppi di ricerca junior partecipanti presso l'Istituto di fisica delle radiazioni dell'HZDR.

A partire dal 2019, la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), che l'HZDR sta attualmente allestendo come parte di una collaborazione internazionale con il laser a raggi X più potente del mondo, l'XFEL europeo vicino ad Amburgo in Germania, fornirà una configurazione sperimentale di nuova generazione con un laser a impulsi brevi significativamente più potente.

Elevata densità elettronica grazie alla struttura a dita

Per i fisici coinvolti negli esperimenti, un dettaglio specifico dai loro calcoli fatti per una particolare rivelazione. "I nostri obiettivi sono stati sviluppati appositamente presso l'HZDR Ion Beam Center per avere una sorta di minuscola struttura a dita sulla loro superficie. Il raggio laser si disperde su questa struttura, risultando in un numero particolarmente elevato di elettroni dagli angoli che vengono accelerati e si incrociano, " spiega Thomas Kluge.

Il fatto che questo dettaglio previsto dai calcoli sia stato osservato nell'esperimento, che dura solo 10 femtosecondi, significa che gli scienziati potrebbero osservare ulteriori formazioni di pattern spontanei (instabilità). Questi possono essere causati, Per esempio, dall'oscillazione degli elettroni nel campo elettromagnetico del laser.

I ricercatori sono interessati a identificare le instabilità che interrompono l'accelerazione degli elettroni e degli ioni, con l'obiettivo di evitarle selezionando obiettivi adatti, Per esempio. "Però, sappiamo anche dalle nostre simulazioni che le instabilità possono persino aumentare l'efficienza del processo di accelerazione, " spiega il fisico. "Nelle nostre simulazioni, abbiamo identificato l'instabilità di Raleigh-Taylor, tra gli altri." Questo fa sì che il laser ottico trasferisca più energia nel plasma che genera. Tali instabilità "positive" potrebbero quindi essere importanti per ottimizzare il processo di accelerazione ionica mediato dagli elettroni.

Gli scienziati del laser si aspettano che la nuova struttura HIBEF fornisca molte più informazioni sull'accelerazione del plasma. Questo "laboratorio estremo" dell'HZDR fornirà allo strumento High Energy Density Science (HED) dell'XFEL europeo di laser ad alta potenza. "L'impulso a raggi X dell'XFEL europeo, con cui misureremo i processi nel plasma, è molto breve. Stiamo anche pianificando di utilizzare strumenti diagnostici aggiuntivi in ​​modo da poter studiare in modo ottimale le oscillazioni del plasma, Per esempio, vedere ulteriori instabilità nell'esperimento, e generarli anche in modo mirato, " dice Thomas Kluge. In questo modo, i ricercatori dell'HZDR mirano ad avvicinarsi gradualmente al loro obiettivo di sviluppare un acceleratore laser ultracompatto per la terapia protonica del cancro.

Gli scienziati hanno compiuto un passo decisivo verso l'uso di acceleratori di particelle basati su laser di nuova generazione. Con l'aiuto del potente laser a raggi X a elettroni liberi allo SLAC in California, sono stati in grado di studiare per la prima volta i processi al plasma su piccole scale di pochi nanometri e femtosecondi su cui avviene l'interazione turbolenta del laser con le particelle da accelerare. Nel futuro, i processi potrebbero così essere ottimizzati e potrebbero essere utilizzati gli acceleratori di particelle a base laser compatti, Per esempio, per l'irradiazione del tumore mediante protoni.