Fai brillare un potente laser su un solido, e ottieni un raggio di protoni ad alta energia. Lungi dall'essere una curiosità, questo fenomeno ha importanti applicazioni, come nella ricerca sulla generazione di neutroni. Teoricamente, più intenso è il laser, più veloce (in altre parole, più energici) i protoni risultanti. Però, di recente sembra che abbiamo sbattuto contro un muro, con laser più potenti che non riescono a produrre la spinta prevista in accelerazione.

Il problema si verifica quando si cerca di spingere le energie dei protoni oltre i 100 mega-elettronvolt. Fino a quel momento, le energie scalano bene con le intensità del laser, consentendo una semplice formula per prevedere l'output dall'input. A intensità più elevate, anche se, la teoria crolla, e sovrastima significativamente l'energia del raggio, per ragioni non del tutto comprese. Ora, in un Comunicazioni sulla natura studio, un team internazionale di scienziati guidati dall'Università di Osaka ha scoperto un pezzo del puzzle.

L'accelerazione del protone è in realtà un effetto secondario del bombardamento laser. Inizialmente, il laser espelle gli elettroni dal bersaglio solido sottile. Avvicinandosi alla velocità della luce, questi elettroni creano quindi un potente campo elettrico, noto come campo di guaina, ed è questo che accelera i protoni vicini. Però, i ricercatori di Osaka si sono resi conto che le teorie precedenti trascuravano un ostacolo cruciale:il magnetismo.

"La guaina forma effettivamente una pendenza, e i protoni accelerano attraverso questa pendenza ad angolo retto rispetto al bersaglio, ", spiega l'autore principale dello studio Motoaki Nakatsutsumi. "Purtroppo, gli elettroni che costruiscono la guaina generano anche una corrente, che genera un campo magnetico, chiamato un campo B. Questo magnetismo mette a rischio l'intero processo intrappolando gli elettroni sulla superficie del bersaglio. Mentre, i protoni vengono deviati lontano dalla guaina."

L'autoinibizione peggiora progressivamente a potenze laser più elevate, creando campi B forti come 100 mega-gauss. I protoni diventano quindi meno energetici e si diffondono ampiamente, come il team ha confermato negli esperimenti.

Aiutato da simulazioni, il team ha esplorato due strategie per ridurre al minimo questo effetto. Notando che il campo B impiega del tempo per raggiungere la massima forza, prevedevano che impulsi laser estremamente brevi potessero consentire ai protoni di superarlo. Questo funziona fino a un certo punto. Però, i calcoli hanno mostrato che anche gli impulsi più veloci di 100 femtosecondi non riuscirebbero a prevenire l'inibizione magnetica quando venivano utilizzati i laser più intensi.

La loro seconda idea era quella di utilizzare bersagli solidi molto più sottili delle dimensioni del punto laser, che indebolisce l'effetto del campo B sulle traiettorie degli elettroni. Sfortunatamente, lo spessore del target è limitato dal profilo temporale del laser, quindi dobbiamo aumentare la dimensione del punto laser, che richiede più energia laser, per esempio., sistema laser più costoso.

"L'inibizione magnetica potrebbe essere un grave collo di bottiglia per una serie di metodi di accelerazione delle particelle, " Nakatsutsumi prevede. "Non sono solo i laser, anche l'accelerazione delle radiazioni potrebbe essere influenzata. Finora non abbiamo trovato un rimedio semplice. Però, si tratta di un'area di ricerca innovativa, e non ho dubbi che l'ostacolo possa essere superato. Si spera che le nostre intuizioni sul meccanismo di inibizione costituiscano una solida base per la soluzione".