Poiché sono molto più compatti degli acceleratori di oggi, che può essere lunga chilometri, gli acceleratori di plasma sono considerati una tecnologia promettente per il futuro. Un gruppo di ricerca internazionale ha ora compiuto progressi significativi nell'ulteriore sviluppo di questo approccio:con due esperimenti complementari all'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e alla Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), il team è stato in grado di combinare per la prima volta due diverse tecnologie al plasma e costruire un nuovo acceleratore ibrido. Il concetto potrebbe far progredire lo sviluppo dell'acceleratore e, a lungo termine, diventare la base di sorgenti di raggi X altamente brillanti per la ricerca e la medicina, come descrivono gli esperti sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Negli acceleratori di particelle convenzionali, le forti onde radio sono guidate in tubi metallici di forma speciale chiamati risonatori. Le particelle da accelerare, che sono spesso elettroni, possono cavalcare queste onde radio come i surfisti cavalcano un'onda oceanica. Ma il potenziale della tecnologia è limitato:l'alimentazione di troppa potenza delle onde radio nei risonatori crea il rischio di cariche elettriche che possono danneggiare il componente. Ciò significa che per portare le particelle a livelli energetici elevati, molti risonatori devono essere collegati in serie, che rende gli acceleratori di oggi in molti casi lunghi chilometri.

Ecco perché gli esperti stanno lavorando con entusiasmo a un'alternativa:l'accelerazione del plasma. In linea di principio, brevi ed estremamente potenti lampi laser sparano in un plasma, uno stato ionizzato della materia costituito da elettroni caricati negativamente e nuclei atomici caricati positivamente. In questo plasma, l'impulso laser genera un forte campo elettrico alternato, simile alla scia di una nave, che può accelerare enormemente gli elettroni su una distanza molto breve. In teoria, questo significa che le strutture possono essere costruite molto più compatte, riducendo a pochi metri un acceleratore che oggi è lungo un centinaio di metri. "Questa miniaturizzazione è ciò che rende il concetto così attraente, " spiega Arie Irman, un ricercatore presso l'HZDR Institute of Radiation Physics. "E speriamo che in futuro consentirà anche ai piccoli laboratori universitari di permettersi un potente acceleratore".

Ma c'è ancora un'altra variante dell'accelerazione del plasma in cui il plasma è guidato da fasci di elettroni vicini alla velocità della luce invece di potenti lampi laser. Questo metodo offre due vantaggi rispetto all'accelerazione del plasma guidata dal laser:"In linea di principio, dovrebbe essere possibile ottenere energie delle particelle più elevate, e i fasci di elettroni accelerati dovrebbero essere più facili da controllare, " spiega il fisico HZDR e autore principale Thomas Kurz. "Lo svantaggio è che al momento, ci affidiamo a grandi acceleratori convenzionali per produrre i fasci di elettroni necessari per guidare il plasma." FLASH al DESY di Amburgo, ad esempio, dove si svolgono tali esperimenti, misura un centinaio di metri buoni.

Combinazione ad alta energia

È proprio qui che entra in gioco il nuovo progetto. "Ci siamo chiesti se potevamo costruire un acceleratore molto più compatto per guidare l'onda di plasma, " dice Thomas Heinemann dell'Università di Strathclyde in Scozia, che è anche uno dei principali autori dello studio. "La nostra idea era quella di sostituire questa struttura convenzionale con un acceleratore al plasma azionato da laser". Per testare il concetto, il team ha progettato una sofisticata configurazione sperimentale in cui forti lampi di luce dalla struttura laser di HZDR DRACO colpiscono un getto di gas di elio e azoto, generando un bundle, fascio di elettroni veloce tramite un'onda di plasma. Questo fascio di elettroni passa attraverso una lamina di metallo nel segmento successivo, con la lamina che si riflette, il laser lampeggia.

In questo segmento successivo, il fascio di elettroni in arrivo incontra un altro gas, questa volta una miscela di idrogeno ed elio, in cui può generare un nuovo, seconda onda di plasma, impostando altri elettroni in modalità turbo su un arco di pochi millimetri, viene sparato un raggio di particelle ad alta energia. "Nel processo, pre-ionizziamo il plasma con un ulteriore, impulso laser più debole, " spiega Heinemann. "Ciò rende l'accelerazione del plasma con il raggio del conducente molto più efficace".

Accensione turbo:quasi alla velocità della luce in un solo millimetro

Il risultato:"Il nostro acceleratore ibrido misura meno di un centimetro, "Spiega Kurz. "La sezione dell'acceleratore a raggio ne utilizza solo un millimetro per portare gli elettroni quasi alla velocità della luce." Le simulazioni realistiche del processo mostrano un notevole gradiente della tensione di accelerazione nel processo, corrispondente ad un incremento di oltre mille volte rispetto ad un acceleratore convenzionale. Per sottolineare l'importanza delle loro scoperte, i ricercatori hanno implementato questo concetto in una forma simile al laser ATLAS alla LMU di Monaco. Però, gli esperti hanno ancora molte sfide da superare prima che questa nuova tecnologia possa essere utilizzata per le applicazioni.

In ogni caso, gli esperti hanno già in mente possibili campi di applicazione:"Gruppi di ricerca che attualmente non dispongono di un acceleratore di particelle adeguato potrebbero essere in grado di utilizzare e sviluppare ulteriormente questa tecnologia, " Arie Irman spera. "E in secondo luogo, il nostro acceleratore ibrido potrebbe essere la base per quello che viene chiamato un laser a elettroni liberi." Tali FEL sono considerati sorgenti di radiazioni di altissima qualità, soprattutto i raggi X, per analisi ultraprecise dei nanomateriali, biomolecole, o campioni geologici. Fino ad ora, questi laser a raggi X richiedevano acceleratori convenzionali lunghi e costosi. La nuova tecnologia al plasma potrebbe renderli molto più compatti ed economici, e forse anche convenienti per un normale laboratorio universitario.