Un enigma eccezionale su ciò che accade all'energia laser dopo che i raggi vengono sparati nel plasma è stato risolto in una ricerca recentemente pubblicata presso l'Università di Strathclyde.

Lo studio ha scoperto che le stesse forze che producono una bolla nel plasma nell'acceleratore di wakefield laser-plasma producono due ulteriori fasci di elettroni a bassa energia ma ad alta carica simultaneamente con un fascio di alta energia a bassa carica. Questi raggi ad alta carica possono avere una carica mille volte maggiore rispetto al raggio ad alta energia.

Plasma, lo stato in cui esiste quasi tutto l'universo, può supportare campi elettrici che sono 1, 000 a 10, 000 volte superiore rispetto agli acceleratori convenzionali, semplicemente separando le particelle cariche positive e negative che compongono il mezzo plasma, che è quasi neutro.

Questo può essere facilmente ottenuto utilizzando un intenso impulso laser, la cui leggera pressione spinge via gli elettroni, lasciando dietro di sé gli ioni molto più pesanti che rimangono al loro posto ed esercitano una forza attrattiva sugli elettroni spostati. Gli elettroni spostati quindi oscillano attorno agli ioni stazionari provocando una scia dietro l'impulso laser, in modo simile alla scia dietro una barca.

Poiché l'impulso laser viaggia a una velocità prossima a quella della luce nel vuoto, la scia può tracciare e accelerare rapidamente le particelle cariche a energie molto elevate, su lunghezze estremamente brevi.

Il documento di ricerca, intitolato Tre fasci di elettroni da un acceleratore di scia di plasma laser e la questione della ripartizione dell'energia, è stato pubblicato in Rapporti scientifici .

Professor Dino Jaroszynski, del Dipartimento di Fisica di Strathclyde, condotto lo studio. Ha detto:"L'intenso impulso laser che abbiamo usato, e l'accelerazione della scia che crea, portare a un acceleratore laser wakefield molto compatto, che è lungo millimetri, invece di decine di metri di lunghezza, per un acceleratore convenzionale equivalente. La scia di plasma si forma in qualcosa di simile a una bolla, acceleratore Van de Graaf in miniatura alimentato a laser, che viaggia ad una velocità prossima a quella della luce.

"Una parte dell'energia laser viene convertita in energia elettrostatica della bolla di plasma, che ha un diametro di diversi micron. Gli acceleratori convenzionali immagazzinano la loro energia a microonde in cavità di rame o superconduttrici, che hanno una capacità di trasporto di energia limitata.

"Un interessante enigma che non è stato considerato prima è la questione di dove va l'energia laser dopo essere stata depositata nel plasma. Sappiamo dove va parte di questa energia a causa della presenza di elettroni ad alta energia emessi in uno stretto, raggio diretto in avanti.

"Uno di questi raggi viene emesso da un'azione di fionda in un ampio cono diretto in avanti, con diverse energie MeV (megaelettronvolt) e carica a livello di nanocoulomb. Paradossalmente, un altro raggio viene emesso all'indietro, che ha una carica simile ma un'energia di circa 200 keV (chiloelettronvolt). Questi raggi trasportano una quantità significativa di energia dalla bolla di plasma.

"È interessante osservare che rispondere a una domanda molto elementare - dove va a finire l'energia laser? - produce risposte sorprendenti e paradossali. Introducendo una nuova tecnologia, come l'acceleratore laser-wakefield, può cambiare il modo in cui pensiamo agli acceleratori. Il risultato è una sorgente molto nuova di diversi fasci di particelle di carica emessi simultaneamente.

"Il mio gruppo di ricerca ha dimostrato che l'acceleratore di wakefield produce tre raggi, due dei quali sono a bassa energia e ad alta carica, e il terzo, alta energia e bassa carica."

Dott. Enrico Brunetti, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica di Strathclyde e membro del gruppo di ricerca, ha dichiarato:"Questi fasci possono fornire un utile elevato flusso di elettroni o fotoni bremsstrahlung su una vasta area, che può essere utilizzato per applicazioni di imaging, o per indagare sui danni da radiazioni nei materiali. Se non correttamente scaricato, loro possono, però, avere effetti collaterali indesiderati, come causare danni alle apparecchiature posizionate vicino all'acceleratore.

"Questa è una preoccupazione particolare per gli acceleratori più lunghi, che spesso utilizzano guide d'onda al plasma basate su capillari per guidare il raggio laser su lunghe distanze. Questi a bassa energia, i fasci ad alta carica trasportano anche una grande quantità di energia lontano dal plasma, ponendo un limite all'efficienza degli acceleratori laser-wakefield.

"Questo è un problema che deve essere preso in considerazione nella futura progettazione e costruzione di acceleratori laser-wakefield".