Negli ultimi anni, l’accelerazione delle particelle guidata dal laser ha attirato una notevole attenzione come alternativa compatta ai convenzionali acceleratori a radiofrequenza utilizzati negli esperimenti di fisica delle alte energie e nelle strutture mediche. L'accelerazione guidata dal laser si basa sull'interazione di intensi impulsi laser con i plasmi, che sono gas ionizzati. Quando un impulso laser ad alta potenza interagisce con un plasma, può generare forti campi elettrici e magnetici in grado di accelerare elettroni e ioni a energie molto elevate.
Tuttavia, una delle sfide nell’accelerazione laser è mantenere la qualità delle particelle accelerate. Quando un singolo impulso laser viene utilizzato per accelerare le particelle, il processo di accelerazione può essere instabile, portando a variazioni nell'energia e nelle traiettorie delle particelle accelerate. Ciò può limitare le applicazioni dell’accelerazione guidata dal laser in contesti pratici.
Per superare queste sfide, i ricercatori dell’Università di Osaka, guidati dal professor Yasuhiko Sentoku, hanno esplorato un nuovo approccio utilizzando più fasci laser. Dividendo un singolo impulso laser in più fasci e poi ricombinandoli in un modo specifico, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un'accelerazione più stabile e controllata di elettroni e ioni.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un sistema laser ad alta potenza chiamato “10 PW Laser Facility” presso l’Istituto di ingegneria laser (ILE), dell’Università di Osaka. Il sistema laser è in grado di fornire impulsi laser ultra intensi con una potenza di picco di 10 petawatt (PW), che equivale al consumo totale di energia elettrica di tutti gli Stati Uniti.
Utilizzando più fasci laser, i ricercatori hanno osservato una migliore accelerazione sia degli elettroni che degli ioni rispetto al caso di un singolo impulso laser. Gli elettroni accelerati raggiunsero energie di diversi GeV, mentre gli ioni accelerati raggiunsero energie di diversi MeV. La qualità delle particelle accelerate, in termini di diffusione energetica e divergenza angolare, era significativamente migliore utilizzando più fasci laser.
Il miglioramento nelle prestazioni di accelerazione delle particelle è stato attribuito all'interazione più stabile e controllata tra i fasci laser multipli e il plasma. L'uso di più fasci ha consentito un migliore controllo dell'intensità del laser e della distribuzione della fase, con conseguente accelerazione più efficiente e migliore qualità del fascio.
Il gruppo di ricerca ritiene che l’uso di fasci laser multipli possa aprire la strada allo sviluppo di acceleratori di particelle azionati da laser di prossima generazione che siano compatti, efficienti e in grado di produrre fasci di particelle di alta qualità. Tali acceleratori potrebbero avere una vasta gamma di applicazioni, inclusa la ricerca fondamentale nella fisica delle alte energie, sorgenti di radiazioni compatte per scopi medici e industriali e tecniche di imaging avanzate come la microscopia a raggi X e la tomografia.
