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

No mundo da física de altas energias, cientistas buscam há muito tempo uma maneira de criar feixes poderosos de partículas atômicas de movimento rápido usando luz em vez de máquinas enormes do tamanho de uma sala. Por décadas, o método padrão envolveu disparar um laser intenso contra um alvo sólido, o que removeria elétrons dos átomos e deixaria para trás uma superfície carregada positivamente. Essa superfície atuaria então como um estilingue gigante e invisível, lançando íons — átomos carregados — para fora em velocidades incríveis. Embora essa técnica, conhecida como Aceleração por Bainha de Norma do Alvo (Target Normal Sheath Acceleration), tenha sido bem-sucedida, ela frequentemente produz uma dispersão caótica de partículas com uma ampla gama de energias, tornando-as difíceis de usar para tarefas precisas como imagem médica ou tratamento de câncer. Pesquisadores buscam uma maneira de gerar feixes onde quase todas as partículas viajam na exata mesma velocidade, uma qualidade conhecida como sendo "quasi-monoenergética", e para fazer isso de uma forma que permita direcionar o feixe para longe do equipamento de laser delicado que o cria.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Quântica no Japão e da Universidade de Osaka demonstrou agora um passo significativo nesta busca. Eles utilizaram um mecanismo chamado Explosão de Coulomb Impulsionada (Boosted Coulomb Explosion), um processo no qual um laser cria uma onda estacionária de luz que empurra elétrons para fora de um plasma pré-aquecido, fazendo com que os íons pesados restantes explodam para fora em um surto energético e compacto. Em experimentos anteriores, essa explosão enviava partículas voando apenas em direção ao laser, o que é problemático porque os espelhos e lentes necessários para focar o laser estão justamente nesse caminho, bloqueando quaisquer instrumentos que tentem capturar o feixe. O novo trabalho da equipe, no entanto, mostra que, ao usar uma folha muito fina de alumínio revestida com uma camada de água pesada, eles podem desencadear essa explosão de uma forma que envia um feixe limpo e de alta energia de deutérios — átomos de hidrogênio pesado — disparando tanto da frente quanto de trás do alvo simultaneamente.

O experimento ocorreu na instalação do Experimento de Ignição de Combustão Rápida (Laser for Fast Ignition Experiment), onde quatro pulsos de laser sincronizados foram combinados para entregar um surto massivo de energia sobre um alvo minúsculo. O próprio alvo era uma folha de alumínio com apenas 1,5 micrômetros de espessura, aproximadamente a largura de uma única bactéria, com uma camada microscópica de água pesada depositada em um dos lados. Quando o laser atingiu o alvo, um pré-pulso de luz chegou alguns trilhões de bilionésimos de segundo antes para transformar a camada de água pesada em uma nuvem de plasma quente e em expansão. O pulso principal do laser seguiu-se então, interagindo com essa nuvem para criar a força explosiva. Como a folha de alumínio era tão fina, o laser foi capaz de atravessá-la parcialmente durante a interação, um fenômeno conhecido como transparência relativística. Esse avanço permitiu que o processo de aceleração ocorresse em ambos os lados da folha, e não apenas no lado voltado para o laser.

Os resultados foram impressionantes. No lado voltado para o laser, a equipe mediu um feixe de deutérios com uma energia média de 20,4 milhões de elétron-volts, com uma dispersão de velocidade muito estreita. No lado oposto, a parte traseira do alvo, eles detectaram um feixe ainda mais impressionante de 23,8 milhões de elétron-volts. O que tornou o feixe do lado traseiro particularmente especial foi sua pureza; ele carecia das partículas de fundo desordenadas e de baixa energia que frequentemente poluem tais medições. Os pesquisadores descobriram que a finura do alumínio foi o fator chave. Em alvos mais espessos, o laser ricocheteia na superfície, criando uma onda duradoura que empurra as partículas apenas para a frente. Neste alvo fino, o laser atravessa, encurtando a duração do impulso, mas permitindo que as partículas aceleradas passem pelo material e emerjam no outro lado. Simulações computacionais confirmaram esse quadro, mostrando como o pulso do laser penetra no alvo e como a onda estacionária colapsa, mas ainda consegue acelerar um número significativo de partículas para a parte traseira.

Esta descoberta altera as possibilidades práticas para o uso de fontes de íons impulsionadas por laser. Anteriormente, a direção do feixe era um obstáculo importante, pois a óptica do laser bloqueava o caminho para diagnósticos e aplicações potenciais. Ao alcançar um feixe bidirecional, os pesquisadores abriram um caminho claro para colocar detectores ou dispositivos de tratamento atrás do alvo, longe do brilho do laser. O fato de o feixe do lado traseiro ser não apenas de alta energia, mas também livre de ruído de baixa energia, sugere que ele pode ser uma fonte altamente eficiente para tecnologias futuras. Embora a energia de pico das partículas tenha sido ligeiramente inferior à alcançada com alvos mais espessos em estudos anteriores, a qualidade e a direcionalidade do feixe representam um grande avanço no controle de como essas partículas nascem e para onde vão. O trabalho aprofunda a compreensão de como a luz e a matéria interagem em velocidades extremas, provando que a espessura de um alvo pode ser usada como um controle preciso para regular a direção e a qualidade do feixe de partículas resultante.