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    Extremadamente pequeño y rápido:el láser enciende plasma caliente

    Con la ayuda del potente láser de rayos X de electrones libres en SLAC en California, Los investigadores de HZDR pudieron investigar los procesos del plasma a pequeñas escalas de unos pocos nanómetros y femtosegundos en los que tiene lugar la interacción del láser turbulento con las partículas que se van a acelerar. Crédito:Juniks / HZDR

    Cuando se disparan pulsos de luz de un sistema láser extremadamente potente sobre muestras de material, el campo eléctrico de la luz arranca los electrones de los núcleos atómicos. Por fracciones de segundo, se crea un plasma. Los electrones se acoplan con la luz láser en el proceso, alcanzando así casi la velocidad de la luz. Al salir volando de la muestra de material, tiran de los núcleos atómicos (iones) detrás de ellos. Para investigar experimentalmente este complejo proceso de aceleración, Investigadores del centro de investigación alemán Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han desarrollado un nuevo tipo de diagnóstico para aceleradores de partículas innovadores basados ​​en láser. Sus resultados ahora se publican en la revista Revisión física X .

    "Nuestro objetivo es un acelerador ultracompacto para terapia iónica, es decir, irradiación del cáncer con partículas cargadas, "dice el físico Dr. Thomas Kluge del HZDR. Además de las clínicas, la nueva tecnología de aceleración también podría beneficiar a universidades e instituciones de investigación. Sin embargo, Se necesita mucho trabajo de investigación y desarrollo antes de que la tecnología esté lista para su uso. El láser DRACO del Centro Helmholtz de Dresde alcanza actualmente energías de alrededor de 50 megaelectronvoltios. Sin embargo, Se requieren de 200 a 250 megaelectronvoltios para irradiar un tumor con protones.

    Gracias a sus pulsos ultracortos en el rango de unos pocos femtosegundos, un tiempo durante el cual un haz de luz recorre una distancia de una fracción de un cabello humano, el láser DRACO alcanza una potencia de casi un petavatio. Esto corresponde a 100 veces la energía eléctrica promedio generada en todo el mundo.

    "Necesitamos comprender mucho mejor los procesos individuales involucrados en la aceleración de electrones e iones, "dice Kluge. Junto con colegas de Dresde, Hamburgo Jena, Siegen y EE. UU., Los investigadores de HZDR han observado estos procesos extremadamente rápidos virtualmente en tiempo real en el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC de la Universidad de Stanford en los Estados Unidos.

    Para lograr esta hazaña, los científicos utilizaron dos láseres especiales al mismo tiempo:el láser de alta intensidad de SLAC tiene una potencia de alrededor de 40 teravatios, es decir, aproximadamente 25 veces más débil que DRACO. Al golpear la muestra de material (objetivo), enciende el plasma. El segundo láser es un láser de rayos X, que se utiliza para registrar los procesos individuales, de la ionización de las partículas en el objetivo y la expansión del plasma, a las oscilaciones e inestabilidades del plasma que ocurren cuando los electrones se calientan a varios millones de grados Celsius, y la eficiente aceleración de electrones e iones.

    "Con el método de dispersión de ángulo pequeño, hemos realizado mediciones en el rango de femtosegundos y en escalas que van desde unos pocos nanómetros hasta varios cientos de nanómetros, "dice la estudiante de doctorado de HZDR Melanie Rödel, que jugó un papel principal en el experimento. Fueron necesarios varios años de trabajo para acceder a estas áreas y obtener señales limpias en las imágenes dispersas del láser de rayos X.

    "El nuevo diagnóstico para aceleradores basados ​​en láser ha confirmado de manera excelente nuestras expectativas con respecto a su resolución espacial y temporal. De esta manera, hemos allanado el camino para la observación directa de procesos físicos de plasma en tiempo real, "dice la Dra. Josefine Metzkes-Ng, jefe de uno de los grupos de investigación junior participantes en el Instituto de Física de las Radiaciones del HZDR.

    El pulso de láser de alta intensidad (rojo) se enfoca en un objetivo de rejilla de silicio por debajo de 45 grados; paralelo a las crestas de la rejilla. Los pulsos de rayos X (azul) sondean la dinámica láser-plasma por debajo de los 90 ° a lo largo del tiempo. Los siguientes patrones de dispersión muestran los complejos procesos de aceleración de partículas. Crédito:Juniks / HZDR

    A partir de 2019, la línea de luz internacional de Helmholtz para campos extremos (HIBEF), que el HZDR está estableciendo actualmente como parte de una colaboración internacional en el láser de rayos X más potente del mundo, el XFEL europeo cerca de Hamburgo en Alemania, proporcionará una configuración experimental de próxima generación con un láser de pulso corto significativamente más potente.

    Alta densidad de electrones gracias a la estructura de los dedos

    Para los físicos involucrados en los experimentos, un detalle específico de sus cálculos hechos para una revelación en particular. "Nuestros objetivos fueron desarrollados especialmente en el Centro de Rayos Iónicos HZDR para tener una especie de estructura de dedo diminuto en su superficie. El rayo láser se dispersa en esta estructura, resultando en un número particularmente grande de electrones de las esquinas que se aceleran y se cruzan, "explica Thomas Kluge.

    El hecho de que este detalle predicho por los cálculos se haya observado en el experimento, que dura solo 10 femtosegundos, significa que los científicos podrían observar más formaciones de patrones espontáneos (inestabilidades). Estos pueden ser causados por ejemplo, por la oscilación de los electrones en el campo electromagnético del láser.

    Los investigadores están interesados ​​en identificar inestabilidades que interrumpen la aceleración de electrones e iones, con el objetivo de evitarlos seleccionando objetivos adecuados. por ejemplo. "Sin embargo, también sabemos por nuestras simulaciones que las inestabilidades pueden incluso aumentar la eficiencia del proceso de aceleración, "explica el físico". En nuestras simulaciones, hemos identificado la inestabilidad de Raleigh-Taylor, entre otros ". Esto hace que el láser óptico transfiera más energía al plasma que genera. Estas inestabilidades 'positivas' podrían ser importantes para optimizar el proceso de aceleración iónica mediado por los electrones.

    Los científicos del láser esperan que la nueva instalación HIBEF proporcione muchos más conocimientos sobre la aceleración del plasma. Este 'laboratorio extremo' del HZDR proporcionará láseres de alta potencia al instrumento High Energy Density Science (HED) del XFEL europeo. "El pulso de rayos X del XFEL europeo, con el que estaremos midiendo los procesos en el plasma, es muy corto. También estamos planeando utilizar herramientas de diagnóstico adicionales para que podamos estudiar de manera óptima las oscilaciones del plasma, por ejemplo, ver más inestabilidades en el experimento, y también generarlos de manera específica, "dice Thomas Kluge. De esta manera, Los investigadores del HZDR pretenden acercarse gradualmente a su objetivo de desarrollar un acelerador láser ultracompacto para la terapia de protones del cáncer.

    Los científicos han dado un paso decisivo hacia el uso de aceleradores de partículas basados ​​en láser de próxima generación. Con la ayuda del potente láser de rayos X de electrones libres en SLAC en California, pudieron investigar los procesos del plasma por primera vez en las escalas pequeñas de unos pocos nanómetros y femtosegundos en los que tiene lugar la interacción del láser turbulento con las partículas a acelerar. En el futuro, De este modo, los procesos podrían optimizarse y los aceleradores de partículas compactos basados ​​en láser podrían utilizarse, por ejemplo, para la irradiación de tumores utilizando protones.

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