Quasi 20 anni fa, i ricercatori che conducevano esperimenti sul sistema laser Nova Petawatt del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il primo laser da quadrilioni di watt al mondo, hanno scoperto che quando gli intensi raggi laser a breve impulso del sistema colpivano un bersaglio a lamina sottile, un inaspettato torrente di elettroni e protoni ad alta energia fluì dal retro del bersaglio.

All'inizio di questo mese, un team internazionale di ricercatori ha utilizzato il successore di Nova Petawatt, la capacità radiografica avanzata (ARC) di classe petawatt della National Ignition Facility (NIF), per iniziare a sviluppare una piattaforma sperimentale che promette di trasformare la scoperta a sorpresa di Nova in una nuova potente fonte di protoni per studiare le condizioni estreme nelle profondità dei pianeti e delle stelle, migliorare la terapia tumorale mirata e far avanzare le frontiere della scienza ad alta densità di energia (HED).

In due esperimenti NIF Discovery Science, i ricercatori hanno sparato quattro beamlet ARC su una lamina di titanio spessa 33 micron, impostare un forte campo di guaina elettrostatica chiamato campo Target Normal Sheath Accelerating (TNSA) perpendicolare al bersaglio (normale è un termine geometrico per perpendicolare). Mentre il campo volava via dal retro del bersaglio, ha accelerato protoni e ioni ad alta energia dallo strato di contaminazione di idrocarburi ricchi di protoni e acqua che riveste la superficie del bersaglio, tutti si muovono rapidamente nella stessa direzione.

"I risultati sono stati buoni come speravamo, " ha detto il fisico LLNL Tammy Ma, investigatore principale della campagna. "È stata sicuramente una vittoria. L'ARC non è così intenso come molti altri laser a breve impulso, quindi alcuni nella comunità erano preoccupati che le intensità potessero non essere sufficienti per generare questi raggi. Ma (il risultato) sono stati più protoni di quanto ci aspettassimo con energie che si avvicinavano a 20 MeV (milioni di elettronvolt), sicuramente una fonte che consentirà altre applicazioni e una fisica interessante".

Negli esperimenti, due delle 192 linee di luce del NIF sono state divise per formare i quattro fasci ARC a breve impulso. I fasci sono stati sparati simultaneamente per 10 o un picosecondo (trilionesimi di secondo), generando fino a 200 terawatt (trilioni di watt) di potenza per fascio. Il totale di circa 700 terawatt nel secondo esperimento è stata la più alta potenza di picco mai generata su NIF.

L'elevata potenza di picco di ARC è resa possibile da un processo chiamato amplificazione a impulsi cinguettanti, in cui un breve, l'impulso a banda larga generato da un oscillatore viene allungato in tempo per ridurre la sua intensità di picco, poi amplificato ad intensità al di sotto della soglia di danno negli amplificatori laser, e infine compresso a un impulso breve e alla massima potenza di picco in grandi navi a compressore.

La nuova piattaforma Discovery Science, supportato dal programma Laboratory Directed Research and Development (LDRD) di LLNL, è progettato per studiare la fisica della generazione di fasci di particelle a energie laser a impulsi brevi e ultra-elevati in precedenza inesplorati e durate di impulso lunghe. Insieme agli 1,8 milioni di joule di energia ultravioletta del NIF, la capacità consentirà una miriade di applicazioni HED e consentirà la creazione e lo studio di stati estremi della materia.

Il NIF è l'unica struttura al mondo in grado di raggiungere condizioni come quelle all'interno di stelle e pianeti giganti. L'utilizzo di fasci di protoni generati da impulsi brevi ARC per il riscaldamento ultraveloce della materia a stati estremi consentirà misurazioni dell'opacità e dell'equazione di stato a stati di densità di energia senza precedenti.

Inoltre, "i protoni depositano la loro energia in modo molto specifico, " ha osservato il postdoc LLNL Derek Mariscal, sperimentatore capo del progetto. "Ecco perché i protoni sono promettenti per applicazioni come la terapia dei tumori. Puoi inviare un raggio di protoni verso un tumore e farlo depositare tutta la sua energia esattamente dove vuoi senza danneggiare altre aree del corpo.

"Allo stesso modo con un materiale solido, " disse. "(Il raggio di protoni) deposita la sua energia dove vuoi molto rapidamente, in modo da poter riscaldare un materiale molto velocemente prima che abbia il tempo di espandersi idrodinamicamente:il materiale rimane denso, e questo è il nome del gioco:alta energia, alta densità."

Una volta che la piattaforma di accelerazione protonica è stata dimostrata e compresa, Mariscal ha detto, il prossimo passo nel progetto sarà sparare i raggi ARC su un foglio di carbonio deuterato (CD) per generare un raggio di deuteroni. "Potresti inciderli su un secondo foglio, come fluoruro di litio o berillio, e poi ottieni un raggio di neutroni, un vero, sorgente di neutroni simile al laser, usando solo due raggi di NIF invece di tutti i 192."