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

Nel mondo della fisica delle alte energie, gli scienziati cercano da tempo un modo per creare potenti fasci di particelle atomiche in rapido movimento utilizzando la luce invece di enormi macchine grandi quanto una stanza. Per decenni, il metodo standard ha comportato l'uso di un laser intenso su un bersaglio solido, che avrebbe rimosso gli elettroni dagli atomi lasciando dietro di sé una superficie carica positivamente. Questa superficie avrebbe poi agito come una gigantesca, invisibile fionda, scagliando verso l'esterno ioni vicini — atomi carichi — a velocità incredibili. Sebbene questa tecnica, nota come Accelerazione a Guaina Normale del Bersaglio (Target Normal Sheath Acceleration), sia stata efficace, spesso produce un'irradiazione caotica di particelle con una vasta gamma di energie, rendendole difficili da utilizzare per compiti precisi come l'imaging medico o il trattamento del cancro. I ricercatori cercavano un modo per generare fasci in cui quasi ogni particella viaggi alla stessa identica velocità, una qualità nota come "quasi-monoenergetica", e per farlo in un modo che permetta di dirigere il fascio lontano dall'attrezzatura laser delicata che lo crea.

Un team di ricercatori dell'Istituto Nazionale per la Scienza Quantistica e la Tecnologia in Giappone e dell'Università di Osaka ha ora dimostrato un passo avanti significativo in questa ricerca. Hanno utilizzato un meccanismo chiamato Esplosione Coulombiana Potenziata (Boosted Coulomb Explosion), un processo in cui un laser crea un'onda stazionaria di luce che spinge gli elettroni fuori da un plasma pre-riscaldato, causando l'esplosione verso l'esterno degli ioni pesanti rimanenti in un impulso compatto ed energetico. In esperimenti precedenti, questa esplosione inviava le particelle solo verso il laser, il che è problematico perché gli specchi e le lenti necessari per focalizzare il laser si trovano proprio in quel percorso, bloccando gli strumenti che tentano di catturare il fascio. Il nuovo lavoro del team, tuttavia, mostra che utilizzando un foglio molto sottile di alluminio rivestito da uno strato di acqua pesante, possono innescare questa esplosione in un modo che invia un fascio pulito di deuteroni — atomi di idrogeno pesante — scagliandosi verso l'esterno sia dal fronte che dal retro del bersaglio simultaneamente.

L'esperimento si è svolto presso la struttura per l'Esperimento di Accensione Rapida al Laser (Laser for Fast Ignition Experiment), dove quattro impulsi laser sincronizzati sono stati combinati per consegnare un massiccio impulso di energia su un bersaglio minuscolo. Il bersaglio stesso era un foglio di alluminio spesso solo 1,5 micrometri, circa la larghezza di un singolo batterio, con uno strato microscopico di acqua pesante depositato su un lato. Quando il laser colpisce il bersaglio, un pre-impulso di luce arriva qualche trilionesimo di secondo prima per trasformare lo strato di acqua pesante in una nuvola calda di plasma in espansione. L'impulso laser principale segue poi, interagendo con questa nuvola per creare la forza esplosiva. Poiché il foglio di alluminio era così sottile, il laser è stato in grado di penetrare attraverso di esso a metà dell'interazione, un fenomeno noto come trasparenza relativistica. Questo progresso ha permesso al processo di accelerazione di avvenire su entrambi i lati del foglio, piuttosto che solo sul lato rivolto verso il laser.

I risultati sono stati sorprendenti. Sul lato rivolto verso il laser, il team ha misurato un fascio di deuteroni con un'energia media di 20,4 milioni di elettronvolt, con una dispersione di velocità molto stretta. Sul lato opposto, il retro del bersaglio, hanno rilevato un fascio ancora più impressionante di 23,8 milioni di elettronvolt. Ciò che ha reso il fascio posteriore particolarmente speciale è stata la sua purezza; mancava delle disordinate particelle di fondo a bassa energia che spesso affollano tali misurazioni. I ricercatori hanno scoperto che la sottigliezza dell'alluminio è stata il fatt elemento chiave. In bersagli più spessi, il laser rimbalza sulla superficie, creando un'onda duratura che spinge le particelle solo in avanti. In questo bersaglio sottile, il laser riesce a penetrare, accorciando la durata della spinta ma permettendo alle particelle accelerate di passare attraverso il materiale ed emergere sul lato opposto. Le simulazioni al computer hanno confermato questa immagine, mostrando come l'impulso laser penetri nel bersaglio e come l'onda stazionaria collassi, pur riuscendo comunque ad accelerare un numero significativo di particelle verso il retro.

Questa scoperta cambia le possibilità pratiche per l'uso di sorgenti di ioni guidate dal laser. Precedentemente, la direzione del fascio era un ostacolo importante, poiché l'ottica del laser bloccava il percorso per le diagnostiche e le potenziali applicazioni. Raggiungendo un fascio bidirezionale, i ricercatori hanno aperto un percorso chiaro per posizionare rilevatori o dispositivi di trattamento dietro il bersaglio, lontano dal bagliore del laser. Il fatto che il fascio sul lato posteriore sia non solo ad alta energia, ma anche privo di rumore a bassa energia, suggerisce che potrebbe essere una fonte altamente efficiente per tecnologie future. Sebbene l'energia di picco delle particelle sia stata leggermente inferiore a quella raggiunta con bersagli più spessi in studi precedenti, la qualità e la direzionalità del fascio rappresentano un grande progresso nel controllo di come queste particelle nascono e dove vanno. Il lavoro approfondisce la comprensione di come la luce e la materia interagiscono a velocità estreme, provando che lo spessore di un bersaglio può essere usato come un cursore preciso per controllare la direzione e la qualità del fascio di particelle risultante.