Per la prima volta hanno raggiunto energie che finora sembravano possibili solo in strutture molto più grandi. Come riporta il gruppo di ricerca sulla rivista Nature Physics , le applicazioni promettenti nel campo della medicina e della scienza dei materiali sono ora diventate molto più probabili.

L'accelerazione del plasma laser apre prospettive interessanti:rispetto agli acceleratori convenzionali, mantiene la promessa di strutture più compatte ed efficienti dal punto di vista energetico, perché invece di impiegare potenti onde radio per far muovere le particelle, la nuova tecnologia utilizza i laser per accelerarle.

Il principio è che impulsi laser estremamente brevi ma ad alta intensità vengono sparati su pellicole sottilissime. La luce riscalda il materiale a tal punto che ne emergono innumerevoli elettroni mentre i nuclei atomici rimangono al loro posto.

Poiché gli elettroni sono carichi negativamente e i nuclei atomici sono positivi, tra loro si forma per un breve periodo un forte campo elettrico. Questo campo può catapultare un impulso di protoni solo su pochi micrometri a energie che richiederebbero distanze sostanzialmente più lunghe utilizzando la tecnologia degli acceleratori convenzionali.

Questa tecnologia, tuttavia, è ancora in fase di ricerca:finora è stato possibile raggiungere solo energie protoniche fino a 100 MeV e solo utilizzando sistemi laser estremamente grandi, di cui ce ne sono solo pochi al mondo.

Per ottenere energie dell’acceleratore altrettanto elevate con strutture laser più piccole e impulsi più brevi, il team dei fisici HZDR Karl Zeil e Tim Ziegler ha perseguito un nuovo approccio. Sfruttano una proprietà dei flash laser che generalmente viene vista come un difetto. "L'energia di un impulso non si attiva immediatamente, il che sarebbe il caso ideale", riferisce Ziegler. "Invece, un po' dell'energia del laser gli corre davanti, come una sorta di avanguardia."

Improvvisamente trasparente

Nel nuovo concept è proprio questa luce che sfreccia in avanti a svolgere un ruolo chiave. Quando colpisce un foglio di plastica appositamente prodotto in una camera a vuoto, può modificarlo in un modo specifico. "La pellicola si espande sotto l'influenza della luce e diventa sempre più calda e sottile", spiega Ziegler. "La pellicola si scioglie effettivamente durante il processo di riscaldamento."

Ciò ha un effetto positivo sull'impulso primario che segue immediatamente:la pellicola, che altrimenti rifletterebbe ampiamente la luce, diventa improvvisamente trasparente, consentendo all'impulso primario di penetrare più profondamente nel materiale rispetto agli esperimenti precedenti.

"Il risultato è che nel materiale viene innescata una complessa cascata di meccanismi di accelerazione", afferma Ziegler, "facendo sì che i protoni contenuti nella pellicola vengano accelerati molto più di quanto non lo fossero stati con il nostro laser DRACO."

Mentre in precedenza l’impianto raggiungeva energie protoniche di circa 80 MeV, ora può generare 150 MeV, quasi il doppio. Per raggiungere questo record, il team ha dovuto condurre una serie di esperimenti per avvicinarsi ai parametri di interazione perfetti, ad esempio per quanto riguarda lo spessore ottimale delle pellicole utilizzate.

Analizzando i dati di misurazione, il gruppo di ricerca ha scoperto che il fascio di particelle accelerato ha un'altra proprietà interessante:i protoni ad alta energia presentano una distribuzione di energia ristretta, il che significa che, in senso figurato, sono tutti ugualmente veloci, una caratteristica vantaggiosa per applicazioni successive - per il quale energie protoniche elevate e uniformi sono estremamente vantaggiose.

Vantaggio:efficienza energetica

Una di queste applicazioni è lo studio di nuovi concetti radiobiologici per un trattamento preciso e delicato dei tumori. Utilizzando questo metodo, vengono applicate dosi molto elevate di radiazioni per un periodo molto breve. Per questi studi finora sono stati utilizzati principalmente acceleratori terapeutici convenzionali su larga scala, disponibili solo in alcuni centri in Germania e che, ovviamente, hanno la priorità per il trattamento dei pazienti.

La nuova procedura HZDR rende ora più probabile l’uso di sistemi laser compatti, consentendo ad ulteriori gruppi di ricerca di accedere a queste indagini e facilitare scenari di radiazioni che i sistemi convenzionali non possono fornire. "Inoltre, le strutture odierne necessitano di molta energia", afferma Ziegler. "Grazie all'accelerazione laser-plasma potrebbero essere molto più economici."

La procedura potrebbe essere utilizzata anche per la generazione efficiente di neutroni. I lampi laser possono essere utilizzati per produrre impulsi di neutroni brevi e intensi, che sono interessanti per l'uso nella scienza e nella tecnologia, nonché per l'analisi dei materiali.

Anche in questo caso gli acceleratori al plasma promettono di ampliare notevolmente i precedenti campi di applicazione. Ma prima di tutto gli scienziati vogliono affinare il nuovo metodo e comprenderlo meglio. Tra le altre cose, vogliono collaborare con altri laboratori per controllare il processo in modo più preciso e rendere la tecnologia più disponibile. E all'ordine del giorno ci sono anche altri record:energie superiori a 200 MeV sembrano del tutto possibili.