Haga brillar un potente láser sobre un sólido y obtienes un rayo de protones de alta energía. Lejos de ser una curiosidad, este fenómeno tiene aplicaciones importantes, como en la investigación de generación de neutrones. Teóricamente cuanto más intenso es el láser, cuanto más rápido (en otras palabras, más enérgico) los protones resultantes. Sin embargo, parece que recientemente hemos chocado contra una pared, con láseres más fuertes que no producen el impulso esperado en la aceleración.

El problema ocurre cuando se intenta impulsar las energías de los protones más allá de los 100 megaelectronvoltios. Hasta ese punto, las energías escalan muy bien con las intensidades del láser, permitiendo una fórmula simple para predecir la salida de la entrada. A intensidades más altas, aunque, la teoría se derrumba, y sobreestima significativamente la energía del haz, por razones que no se comprenden completamente. Ahora, en un Comunicaciones de la naturaleza estudio, un equipo internacional de científicos dirigido por la Universidad de Osaka ha descubierto una pieza del rompecabezas.

La aceleración de protones es en realidad un efecto secundario del bombardeo láser. Inicialmente, el láser expulsa electrones del objetivo sólido delgado. Acercándose a la velocidad de la luz estos electrones luego crean un poderoso campo eléctrico, conocido como campo de vaina, y es esto lo que acelera los protones cercanos. Sin embargo, los investigadores de Osaka se dieron cuenta de que las teorías anteriores pasaban por alto un escollo crucial:el magnetismo.

"La vaina forma efectivamente una pendiente, y los protones aceleran a través de esta pendiente en ángulo recto con el objetivo, "explica el autor principal del estudio, Motoaki Nakatsutsumi." Desafortunadamente, los electrones que forman la vaina también generan una corriente, que da lugar a un campo magnético, llamado campo B. Este magnetismo pone en peligro todo el proceso al atrapar electrones en la superficie objetivo. Tiempo, los protones se desvían de la vaina ".

La autoinhibición empeora progresivamente a mayor potencia del láser, creando campos B tan fuertes como 100 mega-gauss. Por lo tanto, los protones se vuelven menos energéticos y se extienden ampliamente, como confirmó el equipo en experimentos.

Ayudado por simulaciones, el equipo exploró dos estrategias para minimizar este efecto. Al darse cuenta de que el campo B tarda algún tiempo en alcanzar la fuerza máxima, previeron que pulsos de láser extremadamente breves podrían permitir que los protones lo superaran. Esto funciona hasta cierto punto. Sin embargo, Los cálculos mostraron que incluso los pulsos más rápidos de 100 femtosegundos no podrían evitar la inhibición magnética cuando se usaban los láseres más intensos.

Su segunda idea era utilizar objetivos sólidos mucho más delgados que el tamaño del punto láser, lo que debilita el efecto del campo B en las trayectorias de los electrones. Desafortunadamente, el espesor del objetivo está limitado por el perfil temporal del láser, de modo que tenemos que aumentar el tamaño del punto láser, que requiere más energía láser, p.ej., sistema láser más caro.

"La inhibición magnética podría ser un cuello de botella severo para una variedad de métodos de aceleración de partículas, "Nakatsutsumi predice." No se trata solo de láseres, la aceleración de la radiación también podría verse afectada. Hasta ahora no hemos encontrado un remedio sencillo. Sin embargo, esta es un área de investigación innovadora, y no tengo ninguna duda de que se puede superar el obstáculo. Esperamos que nuestra comprensión del mecanismo de inhibición sea una base firme para la solución ".