Portare enormi quantità di protoni alla velocità nella distanza più breve in frazioni di secondo:ecco cosa tecnologia di accelerazione laser, notevolmente migliorata negli ultimi anni, può fare. Un team di ricerca internazionale del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung e dell'Helmholtz Institute Jena, una filiale del GSI, in collaborazione con il Lawrence Livermore National Laboratory, NOI., è riuscito a utilizzare protoni accelerati con il laser ad alta potenza PHELIX GSI per dividere altri nuclei e analizzarli. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Rapporti scientifici sulla natura e potrebbe fornire nuove informazioni sui processi astrofisici.

Per meno di un picosecondo (un trilionesimo di secondo), il laser PHELIX irradia il suo impulso di luce estremamente intenso su una sottilissima lamina d'oro. Questo è sufficiente per espellere circa un trilione di nuclei di idrogeno (protoni), che sono solo leggermente attaccati all'oro, dalla superficie posteriore della lamina, e accelerarli ad alte energie. "Un numero così elevato di protoni in un periodo di tempo così breve non può essere ottenuto con tecniche di accelerazione standard, " spiega Pascal Boller, che sta ricercando l'accelerazione laser nel dipartimento di ricerca GSI Plasma Physics/PHELIX come parte dei suoi studi universitari. "Con questa tecnologia, si possono aprire aree di ricerca completamente nuove prima inaccessibili”.

Questi includono la generazione di reazioni di fissione nucleare. Per questo scopo, i ricercatori hanno lasciato che i protoni veloci appena generati influissero sui campioni di materiale di uranio. L'uranio è stato scelto come materiale di studio di caso a causa della sua ampia sezione trasversale di reazione e della disponibilità di dati pubblicati per scopi di benchmarking. I campioni devono essere vicini alla produzione di protoni per garantire la massima resa delle reazioni. I protoni generati dal laser PHELIX sono abbastanza veloci da indurre la fissione dei nuclei di uranio in prodotti di fissione più piccoli, che restano poi da identificare e misurare. Però, l'impatto del laser ha effetti collaterali indesiderati:genera un forte impulso elettromagnetico e un flash a raggi gamma che interferiscono con i sensibili strumenti di misura utilizzati per questo rilevamento.

In questa fase, i ricercatori sono assistiti dalle competenze di un altro gruppo di ricerca del GSI. Per lo studio chimico degli elementi superpesanti, da tempo è in uso un sistema di trasporto in grado di trasportare le particelle desiderate su lunghe distanze dall'area di reazione al rivelatore. La camera di reazione è attraversata da un gas che, nel caso di esperimenti di fissione, porta con sé i prodotti di fissione e, in pochi secondi, li trasporta tramite tubicini di plastica all'apparecchio di misura, che ora è a diversi metri di distanza. In questo modo, generazione e misurazione possono essere separate spazialmente e si possono prevenire interferenze.

Per la prima volta, è stato possibile negli esperimenti combinare le due tecniche e quindi generare una varietà di cesio, isotopi di xeno e iodio attraverso la fissione dell'uranio, identificarli in modo affidabile tramite la radiazione gamma emessa e osservarne la breve durata. Ciò fornisce una metodologia per studiare le reazioni di fissione nella materia allo stato di plasma ad alta densità. Si possono trovare condizioni comparabili, Per esempio, nello spazio dentro le stelle, esplosioni stellari o fusioni di stelle di neutroni. "Comprendere i processi di reazione dei nuclei che interagiscono tra loro nel plasma può darci informazioni sull'origine dei nuclei atomici, la cosiddetta nucleosintesi, nel nostro universo. I processi di nucleosintesi come il processo s o il processo r avvengono esattamente in tali mezzi, " spiega Boller. "Il ruolo delle reazioni di fissione in questi processi non è stato ancora studiato in dettaglio. Qui, i protoni accelerati dal laser possono fornire nuove informazioni".

Ulteriori misurazioni con i metodi sono pianificate per futuri esperimenti del laser PHELIX al GSI e in altri centri di ricerca in tutto il mondo. L'indagine su materia ad alta densità con raggi ionici e laser sarà anche uno degli argomenti perseguiti presso la futura struttura di ricerca FAIR. FAIR è attualmente in costruzione presso GSI in cooperazione internazionale. Con il suo motto "L'Universo in Laboratorio, " ha lo scopo di riprodurre le condizioni così come si verificano negli ambienti astrofisici sulla Terra, ampliando così la conoscenza del nostro cosmo.