Gli scienziati hanno sviluppato con successo un acceleratore di particelle tascabile in grado di proiettare fasci di elettroni ultracorti con luce laser a oltre il 99,99% della velocità della luce.

Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno dovuto rallentare la luce in modo che corrisponda alla velocità degli elettroni utilizzando una struttura metallica appositamente progettata rivestita con strati di quarzo più sottili di un capello umano.

Questo enorme balzo in avanti offre contemporaneamente la capacità di misurare e manipolare gruppi di particelle su scale temporali inferiori a 10 femtosecondi (0.000 000 000 000 01 secondi, o il tempo che impiega la luce a percorrere 1/100 di millimetro). Ciò consentirà loro di creare fotografie stroboscopiche del movimento atomico.

Questa dimostrazione di successo apre la strada allo sviluppo di sistemi ad alta energia, ad alta carica, acceleratori azionati da Terahertz (THz) di alta qualità, che promettono di essere più economici e compatti. Riducendo le dimensioni e il costo della tecnologia degli acceleratori, aprirà queste incredibili macchine a una gamma molto più ampia di applicazioni.

Gli acceleratori di particelle sono molto diffusi con applicazioni nella ricerca di base in fisica delle particelle, caratterizzazione dei materiali, radioterapia negli ospedali, dove sono usati per curare i malati di cancro, produzione di radioisotopi per l'imaging medico, e controllo di sicurezza del carico. La tecnologia di base (oscillatori a radiofrequenza) alla base di queste macchine, tuttavia, è stato sviluppato per il radar durante la seconda guerra mondiale.

In una nuova ricerca pubblicata oggi in Fotonica della natura , un team collaborativo di accademici mostra che la loro soluzione unica consiste nell'utilizzare i laser per generare impulsi di luce a frequenza terahertz. Terahertz è una regione dello spettro elettromagnetico tra infrarossi (utilizzati nei telecomandi TV) e microonde (utilizzati nei forni a microonde). La radiazione THz generata dal laser esiste nel regime di lunghezze d'onda della scala millimetrica ideale, rendendo la fabbricazione della struttura più semplice ma soprattutto fornendo le lunghezze di semiciclo che sono adatte per l'accelerazione di interi fasci di elettroni con alti livelli di carica.

L'autore principale dell'articolo, il dott. Morgan Hibberd dell'Università di Manchester, ha dichiarato:"La sfida principale era far corrispondere la velocità del campo THz in accelerazione alla velocità del fascio di elettroni quasi della velocità della luce, impedendo anche che la velocità intrinsecamente più bassa dell'inviluppo di impulsi THz che si propaga attraverso la nostra struttura in accelerazione degradi significativamente la lunghezza su cui interagiscono il campo pilota e gli elettroni".

"Abbiamo superato questo problema sviluppando una sorgente THz unica che produceva impulsi più lunghi contenenti solo una gamma ristretta di frequenze, migliorando notevolmente l'interazione. La nostra prossima pietra miliare è dimostrare guadagni energetici ancora maggiori mantenendo la qualità del raggio. Prevediamo che questo sarà realizzato attraverso perfezionamenti per aumentare la nostra fonte di energia THz, che sono già in corso».

Il professor Steven Jamison della Lancaster University che guida congiuntamente il programma, ha spiegato:"L'accelerazione controllata dei fasci relativistici con impulsi simili a laser a frequenza terahertz è una pietra miliare nello sviluppo di un nuovo approccio agli acceleratori di particelle. Utilizzando frequenze elettromagnetiche oltre cento volte superiori a quelle degli acceleratori di particelle convenzionali, diventa possibile un progresso rivoluzionario nel controllo dei fasci di particelle su scale temporali di femtosecondi."

"Con la nostra dimostrazione dell'accelerazione terahertz di particelle che viaggiano al 99,99% della velocità della luce, abbiamo confermato un percorso per scalare l'accelerazione terahertz a energie altamente relativistiche".

Mentre i ricercatori hanno un occhio a un ruolo a lungo termine dei loro concetti nella sostituzione di acceleratori di ricerca su scala multi-chilometrica (come la sorgente di raggi X lunga 3 km in Europa ad Amburgo) con dispositivi di soli metri di lunghezza, si aspettano che gli impatti immediati saranno nei campi della radioterapia e nella caratterizzazione dei materiali.

Dottor Darren Graham, Senior Lecturer in Physics presso l'Università di Manchester ha dichiarato:"Raggiungere questo traguardo non sarebbe stato possibile senza l'ambiente collaborativo unico fornito dal Cockcroft Institute, che ha contribuito a riunire scienziati e ingegneri dell'Università di Lancaster, L'Università di Manchester e il personale dell'STFC al Daresbury Laboratory."