Un gruppo di ricerca con sede in Giappone guidato dall'Università di Osaka ha dimostrato molteplici taglienti, impulsi laser ultracorti che promettono nuovi tipi di sistemi a fascio di protoni potenzialmente utili in aree come il trattamento del cancro. Combinando gli impulsi per creare efficacemente impulsi più lunghi, particelle cariche ad alta energia possono essere prodotte a intensità laser 100 volte inferiori rispetto a quanto previsto dai precedenti modelli teorici. Questi risultati forniscono informazioni sulla costruzione di strutture di travi più efficienti.

I fasci di particelle cariche come i protoni vengono utilizzati per rispondere a domande fondamentali di fisica e hanno applicazioni pratiche sia nella terapia del cancro che nell'energia di fusione. Un modo per generare le particelle cariche per tali raggi era dirigere potenti laser su lamine di metallo più sottili di un capello umano. Il metallo rilascia quindi particelle cariche. I processi attuali utilizzano lamine 100 volte più sottili di un capello umano:in questo modo la luce laser ad alta intensità può portare gli elettroni che colpisce a velocità prossime alla luce.

I ricercatori hanno finora utilizzato solo brevissimi lampi di luce laser, ciascuno della durata di un semplice picosecondo. Quando si utilizzano gli impulsi, cercano di ridurre al minimo la quantità di luce di sfondo per creare nitidezza (cioè, alto contrasto) impulsi di luce. Lo scopo è aumentare l'energia delle particelle cariche e ottenere fasci in cui le particelle hanno tutte energie molto simili. I fasci di energia più elevata in cui l'energia di ciascuna particella è nota esattamente sono più utili, sia per la ricerca che per la medicina. Sebbene i laser pulsati abbiano mostrato risultati promettenti in questo settore, fino a poco tempo fa, l'effetto di impulsi laser taglienti più lunghi di un picosecondo era sconosciuto.

Ora, un gruppo di ricerca con sede in Giappone con sede presso l'Università di Osaka ha condotto uno studio più dettagliato sull'uso di tali impulsi laser. Hanno usato tagliente, impulsi ultracorti di luce laser dal Laser for Fast Ignition Experiments (LFEX) dell'Università di Osaka. LFEX è uno dei laser più potenti al mondo. Lo studio del team è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Rapporti scientifici .

LFEX dispone di quattro raggi laser estremamente potenti. I ricercatori hanno utilizzato specchi per focalizzare la luce laser fino a un punto delle dimensioni di una particella di polvere. Questa luce è stata diretta su un foglio di alluminio ultrasottile per generare una nuvola di particelle cariche, chiamato plasma. Ogni raggio laser è 1018 volte più intenso della luce solare. In genere un potere così intenso può essere generato solo per un brevissimo periodo di tempo; una sfida alla base del motivo per cui gli impulsi laser taglienti più lunghi di un picosecondo non erano ancora stati studiati.

"Temprando attentamente l'accensione dei quattro raggi è stato possibile per noi sparare efficacemente ciascuno in sequenza per generare impulsi più lunghi che altrimenti avrebbero avuto le stesse caratteristiche taglienti dei singoli impulsi, ", afferma il coautore dello studio Hiroshi Azechi.

I risultati sfidano i modelli teorici convenzionali. I ricercatori hanno scoperto che con la loro luce pulsata, Una luce laser 100 volte meno intensa di quanto si pensasse in precedenza è necessaria per produrre particelle cariche ad alta energia.

"L'utilizzo di più impulsi per creare un impulso più lungo riscalda significativamente il plasma di elettroni, che è probabilmente ciò che fa sì che le particelle cariche raggiungano un'energia maggiore a un'intensità laser inferiore, " dice il primo autore Akifumi Yogo.

Comprendere come creare fasci di particelle cariche più efficienti è una potenziale chiave per lo sviluppo di una nuova generazione di fasci di particelle che potrebbero far progredire la conoscenza della fisica e fornire strumenti di precisione migliori in campo medico.