En colaboración con sus colegas de Alemania y la República Checa, Investigadores del Instituto de Tecnologías de Láser y Plasma de la Universidad Nacional de Investigación Nuclear MEPhI (Rusia) han desarrollado un nuevo método para generar campos eléctricos cuasiestáticos superfuertes que dan como resultado la aceleración de iones en el plasma láser.

Esta investigación es de gran importancia en medicina, particularmente para la terapia con haz de protones, un tratamiento moderno contra el cáncer. El artículo fue publicado en Informes científicos .

Hay tres métodos principales para tratar el cáncer:intervención quirúrgica, quimioterapia y radiación (radioterapia). La radioterapia se basa en aplicar radiaciones ionizantes, que es perjudicial tanto para el tumor como para el tejido sano que lo rodea. Esto impone ciertas limitaciones a la potencia de los rayos gamma, que se utilizan en radioterapia.

Por eso es mucho mejor utilizar protones. Debido a la masa relativamente grande de protones, el rayo permanece enfocado, permitiendo a los científicos apuntar con precisión a los tumores sin dañar el tejido sano que los rodea.

Sin embargo, generar un haz de protones requiere un acelerador de partículas, que es un equipo muy caro que pesa muchas toneladas. Por ejemplo, el acelerador de sincrociclotrón utilizado en el centro terapéutico de Orsay, Francia, pesa un total de 900 toneladas. Es por eso que muchas universidades del mundo están trabajando actualmente en el desarrollo de métodos alternativos para generar haces de partículas cargadas ultrarrápidas. Uno de ellos se basa en aceleradores de rayos láser.

Los aceleradores de rayo láser son significativamente más baratos y más compactos que los ciclotrones y sincrotrones convencionales. pero la calidad de los haces obtenidos con su ayuda no es suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas debido al gran rango de energía de los protones y a la potencia insuficiente. Hoy dia, Los investigadores están compitiendo para desarrollar nuevos métodos de aceleración láser:obtener un haz de protones con una potencia de 100-200 MeV y un rango de energía de no más de un pequeño porcentaje marcaría el comienzo de una nueva era en la medicina láser.

Según los investigadores de MEPhI, la teoría que desarrollaron puede ayudar a conducir a nuevos métodos de aceleración láser. "En nuestra investigación, predijimos en teoría y demostramos, con la ayuda de modelos numéricos, un efecto aparentemente paradójico:el efecto que la fuerza de reacción de la radiación tiene sobre las partículas cargadas, que emiten ondas electromagnéticas, puede contribuir a su aceleración, "dijo Yevgeny Gelfer, profesor asistente en el departamento de física nuclear teórica de MEPhI y científico investigador en el Extreme Light Infrastructure Beamlines Institute en la República Checa.

En sistemas mecánicos ordinarios, Las fuerzas de fricción siempre conducen a la pérdida de energía cinética y a la atenuación del movimiento organizado. La fuerza de reacción de la radiación, sin embargo, actúa de manera diferente:surge como resultado de la transferencia de energía en el campo externo (en este caso, el campo láser). Esta transferencia de energía se realiza mediante electrones. Durante el proceso de transferencia de energía de un depósito a otro, los electrones pueden ralentizarse y acelerarse.

"Estudiamos la propagación de impulsos láser superfuertes en plasma, ", Dijo Gelfer." En campos electromagnéticos con una intensidad de varios PW y más (1 PW equivale a 1015 W; la capacidad de la central eléctrica más grande del mundo es 22, 500 MW, que es alrededor de 50, 000 veces menos), Los electrones emiten radiación con tanta intensidad que su movimiento está definido no solo por la fuerza de Lorentz, sino también por la fuerza de reacción de la radiación, que surge como resultado del retroceso de la radiación. De hecho, este último puede incluso superar la fuerza de Lorentz. Demostramos que nuestra desaceleración de los electrones con la ayuda de la fricción de la radiación en el plano perpendicular a la dirección de propagación del rayo láser aumenta la velocidad de su movimiento, contribuyendo así a una separación de carga más eficaz en el plasma y a la amplificación del campo eléctrico longitudinal formado. Este campo provoca la aceleración de iones, es por eso que nuestros hallazgos pueden contribuir al desarrollo de nuevas formas de obtener haces de iones de alta calidad ".