Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

Nel vasto, invisibile mondo delle particelle subatomiche, gli scienziati cercano da tempo un modo per creare potenti fasci di elettroni utilizzando la luce stessa. Per decenni, il metodo standard ha consistito nel sparare un laser in una nuvola di gas per creare un'onda, molto simile a una barca che si muove nell'acqua, che poi cattura e accelera gli elettroni a velocità incredibili. Questo processo, noto come accelerazione laser-wakefield, è stato uno strumento promettente per generare particelle ad alta energia senza la necessità di macchine enormi grandi quanto una stanza. Tuttavia, una sfida persistente è stata bilanciare l'energia di queste particelle con la loro pura quantità. Esperimenti precedenti potevano produrre o elettroni molto energetici o una grande quantità di essi, ma raramente entrambi contemporaneamente. Questa limitazione ha mantenuto fuori portata per molti laboratori più piccoli applicazioni potenziali, come la creazione di intensi lampi di raggi X per l'imaging medico o lo studio delle condizioni estreme che si trovano all'interno delle stelle.

Un team di ricercatori presso la struttura Laser Mégajoule in Francia ha ora dimostrato un modo per superare questo compromesso, generando fasci di elettroni che sono sia incredibilmente numerosi che altamente energetici. Utilizzando un impulso laser specializzato e ultra-potente focalizzato su un getto supersonico di gas elio, gli scienziati hanno creato un ambiente unico in cui due diversi meccanismi di accelerazione lavoravano insieme. Il risultato è stato un fascio di elettroni che trasporta una carica totale che supera di gran lunga tutto quanto precedentemente raggiunto in questo tipo di configurazione, con singole particelle che raggiungono energie fino a 500 milioni di elettron volt. Quando questi elettroni vengono scagliati contro un bersaglio di metallo spesso, producono un lampo di raggi X duri così intenso da trasportare l'energia equivalente a diversi Joule in una frazione di secondo. Questo traguardo suggerisce che sorgenti di particelle compatte e ad alta potenza stanno diventando una realtà, aprendo nuove porte per sondare gli stati più densi della materia e creare sorgenti di radiazione secondaria per studi scientifici avanzati.

L'esperimento si è svolto al Laser Mégajoule, una massiccia struttura in Francia progettata per studiare la fisica ad alta densità di energia. I ricercatori hanno utilizzato un sistema laser specifico chiamato PETAL, che fornisce un impulso di luce della durata di meno di un trilionesimo di secondo ma che racchiude abbastanza potenza da rivaleggiare con l'output di una grande centrale elettrica. Invece di colpire un blocco solido di metallo, il laser è stato focalizzato in un flusso di gas elio che si muove a velocità supersoniche. Mentre l'intenso impulso laser viaggiava attraverso questo gas, strappava gli elettroni dagli atomi di elio, creando un plasma. La forza pura del laser spingeva gli elettroni del plasma lateralmente, creando una scia dietro di sé, simile alla scia lasciata da una motonauta. In questa scia, si formavano campi elettrici intensi, pronti a catturare e accelerare qualsiasi elettrone libero incontrassero.

Ciò che ha reso distinto questo esperimento è stata la specifica temporizzazione e intensità dell'impulso laser. L'impulso era abbastanza lungo, durando circa 700 femtosecondi, da interagire con il plasma in modo complesso. Piuttosto che semplicemente spingere gli elettroni in una singola linea ordinata, l'impulso laser ha iniziato a frammentarsi e oscillare mentre si muoveva attraverso il gas. Questa auto-modulazione ha creato un ambiente caotico ma altamente efficace in cui due tipi di accelerazione avvenivano simultaneamente. Il primo era la tradizionale accelerazione di wakefield, dove gli elettroni "surfavano" l'onda del plasma. Il secondo era l'accelerazione laser diretta, dove gli elettroni venivano catturati dal campo elettrico oscillante della luce laser stessa e guadagnavano energia direttamente da essa. La combinazione di queste due forze ha permesso ai ricercatori di intrappolare e accelerare un numero massiccio di elettroni a velocità relativistiche, raggiungendo una carica totale di oltre un microcoulomb. Questo è un valore record per questo tipo di sistema guidato dal laser, rappresentando la carica più alta mai riportata per un acceleratore laser-wakefield a conoscenza dei ricercatori.

Per misurare ciò che avevano creato, il team ha posizionato una serie di rilevatori nel percorso del fascio di elettroni. Un dispositivo, situato a sei metri di distanza, ha utilizzato un campo magnetico per deviare gli elettroni e separarli per energia, permettendo agli scienziati di vedere l'intera gamma di velocità nel fascio. Hanno scoperto che gli elettroni avevano una distribuzione di energia ampia, con un numero significativo che raggiungeva i 500 MeV. Un altro rilevatore, posizionato direttamente nel percorso del fascio, misurava il numero totale di elettroni. I dati hanno mostrato che il fascio trasportava una carica di 1,1 microcoulomb, un valore che non era mai stato raggiunto prima in un acceleratore laser-wakefield. I ricercatori hanno confermato queste misurazioni con simulazioni computerizzate dettagliate che modellavano le interazioni tra laser e plasma, mostrando che i risultati sperimentali corrispondevano alle loro previsioni teoriche.

La vera potenza di questo fascio di elettroni è stata dimostrata quando è stato diretto contro una pila di piastre metalliche fatte di indio, ferro e zirconio. Quando gli elettroni ad alta velocità colpiscono questi metalli pesanti, rallentano rapidamente, rilasciando la loro energia sotto forma di un lampo di raggi X duri. Questo processo, noto come Bremsstrahlung, ha convertito l'energia cinetica degli elettroni in un fascio di fotoni. Il lampo di raggi X risultante era incredibilmente intenso, trasportando un'energia totale di circa 3,3 Joule in un impulso più breve di un picosecondo. Ciò rappresenta un'efficienza di conversione di quasi il due per cento dall'energia del laser all'energia dei raggi X, una cifra che eguaglia o supera i record precedenti. I raggi X prodotti erano di energia sufficientemente alta da penetrare materiali densi, rendendoli adatti per tecniche di imaging avanzate.

La significatività di questo lavoro risiede nella sua capacità di produrre fasci ad alta carica e alta energia in un contesto compatto. I ricercatori hanno dimostrato che, calibrando attentamente il laser e il bersaglio di gas, potevano sfruttare la natura caotica del plasma a proprio vantaggio invece di combatterla. Il fascio di elettroni generato non è solo una curiosità scientifica; è uno strumento pratico. Tali fasci possono essere utilizzati per creare sorgenti secondarie di radiazione, come neutroni o raggi gamma, che sono essenziali per la ricerca nella fisica nucleare e per lo studio del comportamento della materia sotto pressioni e temperature estreme. Inoltre, la capacità di generare questi fasci con un sistema laser integrato in una struttura più grande come il Laser Mégajoule significa che gli scienziati possono ora utilizzare questi fasci di elettroni per sondare la materia che è stata compressa e riscaldata da altri potenti fasci laser, offrendo un nuovo modo per studiare la fisica delle stelle e dei nuclei planetari in laboratorio.

Il team ha anche prestato grande attenzione per comprendere esattamente come l'energia fosse distribuita all'interno del fascio. Mentre le misurazioni sull'asse mostravano un'energia media elevata, le simulazioni al computer hanno rivelato che il fascio si disperdeva significativamente durante il tragitto. Gli elettroni al centro del fascio erano i più energetici, mentre quelli ai bordi avevano energie inferiori. Tenendo conto di questa dispersione, i ricercatori hanno calcolato che l'energia totale trasportata dall'intero fascio era di circa 17 Joule. Questa visione completa, che combina dati sperimentali con una modellazione sofisticata, ha fornito loro un quadro chiaro delle proprietà del fascio e ha confermato che il meccanismo di accelerazione era un ibrido dei due processi sospettati. Il successo di questo esperimento suggerisce che futuri aggiornamenti al sistema laser, come il miglioramento del fuoco del fascio, potrebbero spingere queste efficienze di conversione ancora più in alto.

Questo traguardo segna un passo avanti nel campo dell'accelerazione laser-plasma, avvicinandolo all'applicazione pratica. La capacità di generare fasci di elettroni a livello di microcoulomb e raggi X multi-joule in un singolo scatto fornisce una nuova capacità agli scienziati che necessitano di intense sorgenti di radiazione a breve durata. I ricercatori hanno dimostrato che l'interazione complessa tra l'accelerazione a wakefield auto-modulata e l'accelerazione laser diretta può essere controllata per produrre risultati affidabili e ad alta resa. Man mano che queste tecniche vengono perfezionate e integrate in strutture più grandi, esse promettono di abilitare nuovi esperimenti in astrofisica, scienza nucleare e ricerca sui materiali, permettendo all'umanità di scrutare più a fondo nei meccanismi fondamentali dell'universo. La strada dal caos di un getto di plasma a un fascio controllato ad alta energia è ora più chiara, aprendo la strada alla prossima generazione di sorgenti di particelle.