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

No vasto mundo invisível das partículas subatômicas, os cientistas há muito buscam uma maneira de criar feixes poderosos de elétrons usando a própria luz. Por décadas, o método padrão envolvia disparar um laser em uma nuvem de gás para criar uma onda, muito parecido com um barco movendo-se através da água, que então captura e acelera elétrons a velocidades incríveis. Esse processo, conhecido como aceleração por campo de wakefield de laser, tem sido uma ferramenta promissora para gerar partículas de alta energia sem a necessidade de máquinas enormes do tamanho de uma sala. No entanto, um desafio persistente tem sido equilibrar a energia dessas partículas com a quantidade bruta delas. Experimentos anteriores podiam produzir ou elétrons muito energéticos ou uma grande quantidade deles, mas raramente ambos ao mesmo tempo. Essa limitação manteve muitas aplicações potenciais, como a criação de surtos intensos de raios X para imagem médica ou o estudo das condições extremas encontradas dentro das estrelas, fora de alcance para laboratórios menores.

Uma equipe de pesquisadores na instalação Laser Mégajoule, na França, demonstrou agora uma maneira de superar essa troca, gerando feixes de elétrons que são tanto incrivelmente numerosos quanto altamente energéticos. Ao usar um pulso de laser especializado e ultra-poderoso focado em um jato supersônico de gás hélio, os cientistas criaram um ambiente único onde dois mecanismos diferentes de aceleração trabalharam juntos. O resultado foi um feixe de elétrons carregando uma carga total que excede em muito tudo o que foi alcançado anteriormente neste tipo de configuração, com partículas individuais atingindo energias de até 500 milhões de elétron-volts. Quando esses elétrons foram colididos contra um alvo de metal espesso, produziram um flash de raios X duros tão intenso que carregava a energia equivalente a vários Joules em uma fração de segundo. Esse feito sugere que fontes de partículas compactas e de alta potência estão se tornando uma realidade, abrindo novas portas para sondar os estados mais densos da matéria e criar fontes de radiação secundária para estudo científico avançado.

O experimento ocorreu no Laser Mégajoule, uma instalação massiva na França projetada para estudar física de alta densidade de energia. Os pesquisadores utilizaram um sistema de laser específico chamado PETAL, que entrega um pulso de luz durando menos de um trilionésimo de segundo, mas concentrando poder suficiente para rivalizar com a produção de uma grande usina elétrica. Em vez de atingir um bloco sólido de metal, o laser foi focado em um fluxo de gás hélio movendo-se em velocidades supersônicas. À medida que o intenso pulso de laser viajava através desse gás, ele arrancava elétrons dos átomos de hélio, criando um plasma. A força pura do laser empurrava os elétrons do plasma para o lado, criando um wake (esteira) atrás dele, semelhante ao rastro deixado por um lancha. Nesse wake, campos elétricos fortes se formaram, prontos para agarrar e acelerar quaisquer elétrons livres que encontrassem.

O que tornou este experimento distinto foi o tempo e a intensidade específicos do pulso de laser. O pulso era longo o suficiente, durando cerca de 700 femtossegundos, para interagir com o plasma de uma forma complexa. Em vez de simplesmente empurrar os elétrons em uma linha única e organizada, o pulso de laser começou a se fragmentar e oscilar conforme se movia através do gás. Essa automodulação criou um ambiente caótico, mas altamente eficaz, onde dois tipos de aceleração aconteceram simultaneamente. O primeiro foi a tradicional aceleração por wakefield, onde os elétrons "surfaram" a onda do plasma. O segundo foi a aceleração direta por laser, onde os elétrons foram capturados no campo elétrico oscilante da própria luz do laser e ganharam energia diretamente dela. A combinação dessas duas forças permitiu aos pesquisadores capturar e acelerar um número massivo de elétrons a velocidades relativísticas, alcançando uma carga total de mais de um microcoulomb. Esta é uma quantidade recorde para este tipo de sistema impulsionado por laser, representando a maior carga já relatada para um acelerador de wakefield de laser, segundo o conhecimento dos pesquisadores.

Para medir o que haviam criado, a equipe colocou uma série de detectores no caminho do feixe de elétrons. Um dispositivo, localizado a seis metros de distância, usou um campo magnético para curvar os elétrons e separá-los por energia, permitindo que os cientistas vissem toda a gama de velocidades no feixe. Eles descobriram que os elétrons tinham uma distribuição ampla de energias, com um número significativo atingindo até 500 MeV. Outro detector, colocado diretamente no caminho do feixe, mediu o número total de elétrons. Os dados mostraram que o feixe carregava uma carga de 1,1 microcoulombs, um valor que nunca havia sido alcançado antes em um acelerador de wakefield de laser. Os pesquisadores confirmaram essas medições com simulações computacionais detalhadas que modelaram as interações entre o laser e o plasma, mostrando que os resultados experimentais coincidiam com suas previsões teóricas.

O verdadeiro poder deste feixe de elétrons foi demonstrado quando foi direcionado para uma pilha de placas metálicas feitas de índio, ferro e zircônio. Quando os elétrons de alta velocidade atingiram esses metais pesados, eles desaceleraram rapidamente, liberando sua energia na forma de um surto de raios X duros. Esse processo, conhecido como Bremsstrahlung, converteu a energia cinética dos elétrons em um feixe de fótons. O flash de raios X resultante foi incrivelmente intenso, carregando uma energia total de cerca de 3,3 Joules em um pulso mais curto que um picosegundo. Isso representa uma eficiência de conversão de quase dois por cento da energia do laser para a energia dos raios X, um número que rivaliza ou excede recordes anteriores. Os raios X produzidos eram de energia alta o suficiente para penetrar materiais densos, tornando-os adequados para técnicas de imagem avançadas.

A significância deste trabalho reside em sua capacidade de produzir feixes de alta carga e alta energia em um ambiente compacto. Os pesquisadores mostraram que, ao ajustar cuidadosamente o laser e o alvo de gás, eles poderiam aproveitar a natureza caótica do plasma em seu benefício, em vez de lutar contra ela. O feixe de elétrons que geraram não é apenas uma curiosidade científica; é uma ferramenta prática. Tais feixes podem ser usados para criar fontes secundárias de radiação, como nêutrons ou raios gama, que são essenciais para a pesquisa em física nuclear e para o estudo do comportamento da matéria sob pressões e temperaturas extremas. Além disso, a capacidade de gerar esses feixes com um sistema de laser integrado a uma instalação maior como o Laser Mégajoule significa que os cientistas agora podem usar esses feixes de elétrons para sondar a matéria que foi comprimida e aquecida por outros lasers poderosos, oferecendo uma nova maneira de estudar a física das estrelas e dos núcleos planetários em laboratório.

A equipe também teve muito cuidado para entender exatamente como a energia estava distribuída dentro do feixe. Embora as medições no eixo mostrassem uma energia média alta, as simulações computacionais revelaram que o feixe se espalhava significativamente enquanto viajava. Os elétrons no centro do feixe eram os mais energéticos, enquanto aqueles nas bordas tinham energias mais baixas. Ao contabilizar esse espalhamento, os pesquisadores calcularam que a energia total carregada por todo o feixe era de cerca de 17 Joules. Essa visão abrangente, combinando dados experimentais com modelagem sofisticada, deu a eles uma imagem clara das propriedades do feixe e confirmou que o mecanismo de aceleração era um híbrido dos dois processos que suspeitavam. O sucesso deste experimento sugere que atualizações futuras no sistema de laser, como melhorar o foco do feixe, poderiam elevar ainda mais essas eficiências de conversão.

Este feito marca um avanço no campo da aceleração de plasma por laser, aproximando-o de aplicações práticas. A capacidade de gerar feixes de elétrons de nível de microcoulomb e raios X de múltiplos Joules em um único disparo fornece uma nova capacidade para cientistas que precisam de fontes de radiação intensas e de curta duração. Os pesquisadores demonstraram que a interação complexa entre a aceleração de wakefield automodulada e a aceleração direta por laser pode ser controlada para produzir resultados confiáveis e de alto rendimento. À medida que essas técnicas forem refinadas e integradas em instalações maiores, elas prometem permitir novos experimentos em astrofísica, ciência nuclear e pesquisa de materiais, permitindo que a humanidade sonde mais profundamente os mecanismos fundamentais do universo. O caminho do jato de plasma caótico para um feixe de alta energia controlado está agora mais claro, pavimentando o caminho para a próxima geração de fontes de partículas.