Componente chiave di un acceleratore laser wakefield
Un acceleratore di particelle compatto lungo meno di 20 metri che produce un fascio di elettroni con un'energia di 10 miliardi di elettronvolt
Gli acceleratori di particelle racchiudono un grande potenziale per le applicazioni dei semiconduttori, l'imaging e la terapia medica, nonché la ricerca sui materiali, sull'energia e sulla medicina. Ma gli acceleratori convenzionali richiedono molto spazio – chilometri – rendendoli costosi e limitando la loro presenza a una manciata di laboratori e università nazionali.
Scienziati dell'University of Texas at Austin (UT), diversi laboratori nazionali, università europee e la società texana TAU Systems Inc. hanno dimostrato un acceleratore di particelle compatto lungo meno di 20 metri che produce un fascio di elettroni con un'energia di 10 miliardi di elettronvolt (10 GeV). Ci sono solo altri due acceleratori attualmente operativi negli Stati Uniti che possono raggiungere energie di elettroni così elevate, ma entrambi sono lunghi circa 3 chilometri.
«Ora possiamo raggiungere quelle energie in 10 centimetri», ha affermato il dottor Bjorn Manuel Hegelich (1), professore associato di fisica all'University of Texas at Austin (UT) e CEO di TAU Systems, riferendosi alle dimensioni della camera in cui è stato prodotto il raggio. È l'autore senior di un articolo che descrive i loro risultati nella rivista Matter and Radiation at Extremes (2).
Il professor Hegelich e il suo team stanno attualmente esplorando l’uso del loro acceleratore, chiamato acceleratore laser wakefield avanzato, per una varietà di scopi. Sperano di usarlo per testare quanto bene l'elettronica legata allo spazio possa resistere alle radiazioni, per immaginare le strutture interne 3D di nuovi progetti di chip semiconduttori e persino per sviluppare nuove terapie contro il cancro e tecniche avanzate di imaging medico.
Questo tipo di acceleratore potrebbe essere utilizzato anche per azionare un altro dispositivo chiamato laser a elettroni liberi a raggi X, che potrebbe riprendere filmati al rallentatore di processi su scala atomica o molecolare. Esempi di tali processi includono le interazioni farmacologiche con le cellule, i cambiamenti all’interno delle batterie che potrebbero farle prendere fuoco, le reazioni chimiche all’interno dei pannelli solari e le proteine virali che cambiano forma quando infettano le cellule.
Il concetto degli acceleratori laser wakefield è stato descritto per la prima volta nel 1979. Un laser estremamente potente colpisce il gas elio, lo riscalda trasformandolo in un plasma e crea onde che espellono gli elettroni dal gas in un fascio di elettroni ad alta energia. Negli ultimi due decenni, vari gruppi di ricerca hanno sviluppato versioni più potenti. Il progresso chiave di Hegelich e del suo team si basa sulle nanoparticelle. Un laser ausiliario colpisce una piastra metallica all’interno della cella a gas, che inietta un flusso di nanoparticelle metalliche che aumentano l’energia fornita agli elettroni dalle onde.
Il laser è come una barca che sfiora un lago, lasciando dietro di sé una scia, e gli elettroni cavalcano quest'onda di plasma come i surfisti.
«È difficile entrare in una grande onda senza essere sopraffatti, quindi i surfisti vengono trascinati dalle moto d'acqua», ha detto Bjorn Manuel Hegelich. «Nel nostro acceleratore, l’equivalente delle moto d’acqua sono nanoparticelle che rilasciano elettroni proprio nel punto giusto e al momento giusto, quindi sono tutti seduti lì nell’onda. Inseriamo molti più elettroni nell’onda quando e dove vogliamo che siano, anziché distribuirli statisticamente nell’intera interazione, e questa è la nostra salsa segreta».
Per questo esperimento, i ricercatori hanno utilizzato uno dei laser pulsati più potenti al mondo, il Texas Petawatt Laser (3), che è ospitato presso l'UT e emette un impulso di luce ultra intenso ogni ora. Un singolo impulso laser da un petawatt contiene circa 1.000 volte la potenza elettrica installata negli Stati Uniti, ma dura solo 150 femtosecondi, meno di un miliardesimo della scarica di un fulmine. L'obiettivo a lungo termine del team è quello di pilotare il sistema con un laser attualmente in fase di sviluppo che si adatti a un tavolo e possa sparare ripetutamente migliaia di volte al secondo, rendendo l'intero acceleratore molto più compatto e utilizzabile in ambienti molto più ampi rispetto a quelli convenzionali.
I co-primi autori dello studio sono Constantin Aniculaesei (4), autore corrispondente ora presso l’University Düsseldorf, in Germania; e Thanh Ha, dottorando presso l'UT e ricercatore presso TAU Systems. Altri membri della facoltà dell'UT sono i professori Todd Ditmire e Michael Downer.
Hegelich e Aniculaesei hanno presentato una domanda di brevetto che descrive il dispositivo e il metodo per generare nanoparticelle in una cella a gas. TAU Systems (5), nata dal laboratorio di Hegelich, detiene una licenza esclusiva da parte dell'Università per questo brevetto fondamentale. Come parte dell'accordo, a UT sono state emesse azioni di TAU Systems.
Il sostegno a questa ricerca è stato fornito dall’U.S. Air Force Office of Scientific Research, dal U.S. Department of Energy, dal U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council e dall'European Union’s Horizon 2020 research and innovation program.
Riferimenti:
(5) TAU Systems
Descrizione foto: Questa cella a gas è un componente chiave di un acceleratore laser wakefield compatto sviluppato presso l'Università del Texas ad Austin. All'interno, un laser estremamente potente colpisce il gas elio, lo riscalda trasformandolo in un plasma e crea onde che espellono elettroni dal gas in un fascio di elettroni ad alta energia. - Credit: Bjorn Manuel Hegelic.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Compact Accelerator Technology Achieves Major Energy Milestone