Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion

En el mundo de la física de altas energías, los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de crear potentes haces de partículas atómicas de movimiento rápido utilizando luz en lugar de máquinas masivas del tamaño de una habitación. Durante décadas, el método estándar consistió en disparar un láser intenso contra un blanco sólido, lo que despojaba a los átomos de sus electrones y dejaba tras de sí una superficie cargada positivamente. Esta superficie actuaría entonces como una enorme e invisible honda, lanzando hacia afuera iones cercanos —átomos cargados— a velocidades increíbles. Si bien esta técnica, conocida como Aceleración por Capa Normal al Blanco (Target Normal Sheath Acceleration), ha sido exitosa, a menudo produce una dispersión caótica de partículas con un amplio rango de energías, lo que las hace difíciles de utilizar para tareas precisas como la imagen médica o el tratamiento del cáncer. Los investigadores han estado buscando una forma de generar haces donde casi todas las partículas viajen exactamente a la misma velocidad, una cualidad conocida como ser "cuasi-monoenergético", y de hacerlo de una manera que permita dirigir el haz lejos del delicado equipo láser que lo crea.

Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Cuántica de Japón y la Universidad de Osaka ha demostrado ahora un paso significativo en esta búsqueda. Utilizaron un mecanismo llamado Explosión de Coulomb Potenciada (Boosted Coulomb Explosion), un proceso en el que un láser crea una onda estacionaria de luz que expulsa los electrones de un plasma precalentado, provocando que los iones pesados restantes exploten hacia afuera en un estallido compacto y energético. En experimentos anteriores, esta explosión solo enviaba las partículas volando hacia el láser, lo cual es problemático porque los espejos y lentes necesarios para enfocar el láser están justo en ese camino, bloqueando cualquier instrumento que intente captar el haz. El nuevo trabajo del equipo, sin embargo, muestra que al utilizar una hoja muy fina de aluminio recubierta con una capa de agua pesada, pueden desencadenar esta explosión de una manera que envía un haz limpio de deuterones —átomos de hidrógeno pesado— disparándose tanto por el frente como por la parte posterior del blanco simultáneamente.

El experimento tuvo lugar en la instalación para el Experimento de Ignición Rápida por Láser (Laser for Fast Ignition Experiment), donde cuatro pulsos de láser sincronizados se combinaron para entregar un estallido masivo de energía sobre un blanco diminuto. El blanco en sí era una lámina de aluminio de solo 1.5 micrómetros de espesor, aproximadamente el ancho de una sola bacteria, con una capa microscópica de agua pesada depositada en un lado. Cuando el láser golpeó el blanco, un pre-pulso de luz llegó una fracción de billones de segundo antes para convertir la capa de agua pesada en una nube caliente de plasma en expansión. El pulso de láser principal siguió después, interactuando con esta nube para crear la fuerza explosiva. Debido a que la lámina de aluminio era tan delgada, el láser fue capaz de atravesarla parcialmente durante la interacción, un fenómeno conocido como transparencia relativista. Este avance permitió que el proceso de aceleración ocurriera en ambos lados de la lámina, en lugar de solo en el lado que enfrenta al láser.

Los resultados fueron sorprendentes. En el lado que enfrenta al láser, el equipo midió un haz de deuterones con una energía promedio de 20.4 millones de electron voltios, con una dispersión de velocidad muy estrecha. En el lado opuesto, la parte posterior del blanco, detectaron un haz aún más impresionante de 23.8 millones de electron voltios. Lo que hizo que el haz del lado posterior fuera particularmente especial fue su pureza; carecía de las partículas de fondo desordenadas y de baja energía que suelen contaminar tales mediciones. Los investigadores descubrieron que la delgadez del aluminio fue el factor clave. En blancos más gruesos, el láser rebota en la superficie, creando una onda duradera que empuja las partículas solo hacia adelante. En este blanco delgado, el láser atraviesa la materia, acortando la duración del empuje pero permitiendo que las partículas aceleradas pasen a través del material y emerjan en el otro lado. Las simulaciones por computadora confirmaron este panorama, mostrando cómo el pulso del láser penetra el blanco y cómo la onda estacionaria colapsa, pero aun así logra acelerar un número significativo de partículas hacia la parte posterior.

Este descubrimiento cambia las posibilidades prácticas para el uso de fuentes de iones impulsadas por láser. Anteriormente, la dirección del haz era un obstáculo importante, ya que la óptica del láser bloqueaba el camino para los diagnósticos y las aplicaciones potenciales. Al lograr un haz bidireccional, los investigadores han abierto un camino despejado para colocar detectores o dispositivos de tratamiento detrás del blanco, lejos del resplandor del láser. El hecho de que el haz del lado posterior no solo sea de alta energía, sino también libre de ruido de baja energía, sugiere que podría ser una fuente altamente eficiente para tecnologías futuras. Si bien la energía máxima de las partículas fue ligeramente inferior a la lograda con blancos más gruesos en estudios anteriores, la calidad y la direccionalidad del haz representan un avance importante en el control de cómo nacen estas partículas y hacia dónde van. El trabajo profundiza la comprensión de cómo la luz y la materia interactúan a velocidades extremas, demostrando que el grosor de un blanco puede utilizarse como un dial preciso para controlar la dirección y la calidad del haz de partículas resultante.