In collaborazione con i loro colleghi della Germania e della Repubblica Ceca, i ricercatori dell'Istituto per le tecnologie laser e plasma presso la National Research Nuclear University MEPhI (Russia) hanno sviluppato un nuovo metodo per generare campi elettrici quasistatici super potenti che provocano l'accelerazione degli ioni nel plasma laser.

Questa ricerca è di grande importanza in medicina, in particolare per la terapia con fasci di protoni, un moderno trattamento del cancro. Il documento è stato pubblicato in Rapporti scientifici .

Esistono tre metodi principali per il trattamento del cancro:intervento chirurgico, chemioterapia e radiazioni (radioterapia). La radioterapia si basa sull'applicazione di radiazioni ionizzanti, che è dannoso sia per il tumore che per il tessuto sano che lo circonda. Ciò impone alcune limitazioni alla potenza dei fasci di raggi gamma, che vengono utilizzati in radioterapia.

Ecco perché è molto meglio usare i protoni. A causa della massa relativamente grande di protoni, il raggio rimane concentrato, consentendo agli scienziati di mirare con precisione ai tumori senza danneggiare il tessuto sano che li circonda.

Però, la generazione di un fascio di protoni richiede un acceleratore di particelle, che è un'attrezzatura molto costosa che pesa molte tonnellate. Ad esempio, l'acceleratore di sincrociclotrone utilizzato presso il centro terapeutico di Orsay, Francia, pesa un totale di 900 tonnellate. Ecco perché molte università mondiali stanno attualmente lavorando allo sviluppo di metodi alternativi per generare fasci di particelle cariche ultraveloci. Uno di questi è basato su acceleratori di raggi laser.

Gli acceleratori di raggi laser sono significativamente più economici e più compatti dei ciclotroni e dei sincrotroni convenzionali, ma la qualità dei fasci ottenuti con il loro aiuto non è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni pratiche a causa dell'ampia gamma di energia dei protoni e della potenza insufficiente. Oggi, i ricercatori sono in competizione per sviluppare nuovi metodi di accelerazione laser:ottenere un raggio di protoni con una potenza di 100-200 MeV e un intervallo di energia non superiore a qualche percento inaugurerebbe una nuova era nella medicina laser.

Secondo i ricercatori MEPhI, la teoria che hanno sviluppato può aiutare a portare a nuovi metodi di accelerazione laser. "Nella nostra ricerca, abbiamo previsto in teoria e dimostrato, con l'ausilio di modelli numerici, un effetto apparentemente paradossale:l'effetto che la forza di reazione alla radiazione ha sulle particelle cariche, che emettono onde elettromagnetiche, possono contribuire alla loro accelerazione, " disse Evgenij Gelfer, professore assistente presso il dipartimento di fisica nucleare teorica di MEPhI e ricercatore presso l'Extreme Light Infrastructure Beamlines Institute nella Repubblica Ceca.

Nei normali sistemi meccanici, le forze di attrito portano sempre alla perdita di energia cinetica e all'attenuazione del movimento organizzato. La forza di reazione alla radiazione, però, agisce in modo diverso:nasce come risultato del trasferimento di energia nel campo esterno (in questo caso, il campo laser). Questo trasferimento di energia è effettuato da elettroni. Durante il processo di trasferimento di energia da un serbatoio all'altro, gli elettroni possono rallentare e accelerare.

"Abbiamo studiato la propagazione di impulsi laser superforti nel plasma, " ha detto Gelfer. "In campi elettromagnetici con intensità di diversi PW e superiori (1 PW equivale a 1015 W; la capacità della più grande centrale elettrica del mondo è 22, 500 MW, che è circa 50, 000 volte meno), gli elettroni emettono radiazione così intensamente che il loro movimento è definito non solo dalla forza di Lorentz, ma anche dalla forza di reazione alla radiazione, che deriva dal rinculo delle radiazioni. Infatti, quest'ultimo può anche superare la forza di Lorentz. Abbiamo dimostrato che il nostro rallentamento degli elettroni con l'aiuto dell'attrito della radiazione nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione del raggio laser aumenta la velocità del loro movimento, contribuendo così a una separazione di carica più efficace nel plasma e all'amplificazione del campo elettrico longitudinale formato. Questo campo provoca l'accelerazione degli ioni, ecco perché i nostri risultati possono contribuire allo sviluppo di nuovi modi per ottenere fasci ionici di alta qualità".