El Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha logrado avances significativos en la aceleración del plasma láser. Empleando un método innovador, un equipo de investigación logró superar sustancialmente el récord anterior de aceleración de protones.
Por primera vez consiguieron energías que hasta ahora sólo parecían posibles en instalaciones mucho más grandes. Como informa el grupo de investigación en la revista Nature Physics , las aplicaciones prometedoras en medicina y ciencia de materiales ahora son mucho más probables.
La aceleración de plasma láser abre perspectivas interesantes:en comparación con los aceleradores convencionales, promete instalaciones más compactas y más eficientes energéticamente, porque en lugar de emplear potentes ondas de radio para hacer que las partículas se muevan, la nueva tecnología utiliza láseres para acelerarlas. P>
El principio es que se disparan pulsos láser extremadamente cortos pero de alta intensidad sobre láminas muy finas. La luz calienta el material hasta tal punto que de él emergen innumerables electrones mientras los núcleos atómicos permanecen en su lugar.
Como los electrones están cargados negativamente y los núcleos atómicos son positivos, se forma entre ellos un fuerte campo eléctrico durante un corto tiempo. Este campo puede catapultar un pulso de protones en sólo unos pocos micrómetros a energías que requerirían distancias sustancialmente más largas usando tecnología de acelerador convencional.
Sin embargo, esta tecnología aún se encuentra en fase de investigación:hasta ahora sólo se han podido alcanzar energías de protones de hasta 100 MeV y únicamente mediante el uso de sistemas láser extremadamente grandes, de los que existen pocos en el mundo.
Para lograr energías de acelerador igualmente altas con instalaciones láser más pequeñas y pulsos más cortos, el equipo de los físicos del HZDR Karl Zeil y Tim Ziegler siguió un nuevo enfoque. Aprovechan una propiedad de los destellos láser que generalmente se considera un defecto. "La energía de un pulso no se activa inmediatamente, lo que sería el caso ideal", informa Ziegler. "En lugar de ello, una pequeña parte de la energía del láser avanza rápidamente, como una especie de vanguardia."
En el nuevo concepto, esta luz que avanza es la que juega un papel clave. Cuando golpea una lámina de plástico especialmente fabricada en una cámara de vacío, puede cambiarla de una manera específica. "La lámina se expande debido a la influencia de la luz y se calienta y adelgaza cada vez más", explica Ziegler. "La lámina se derrite efectivamente durante el proceso de calentamiento."
Esto tiene un impacto positivo en el impulso primario que se produce inmediatamente:la lámina, que de otro modo reflejaría en gran medida la luz, de repente se vuelve transparente, lo que permite que el impulso primario penetre más profundamente en el material que en experimentos anteriores.
"El resultado es que en el material se activa una compleja cascada de mecanismos de aceleración", afirma Ziegler, "lo que hace que los protones contenidos en la película se aceleren mucho más que con nuestro láser DRACO".
Mientras que anteriormente la instalación alcanzaba energías de protones de aproximadamente 80 MeV, ahora puede generar 150 MeV, casi el doble. Para lograr este récord, el equipo tuvo que realizar una serie de experimentos para alcanzar los parámetros de interacción perfectos, por ejemplo con respecto al espesor óptimo de las películas utilizadas.
Al analizar los datos de medición, el grupo de investigación descubrió que el haz de partículas acelerado tenía otra propiedad interesante:los protones de alta energía presentan una distribución de energía estrecha, es decir, en sentido figurado, todos son igualmente rápidos, una característica ventajosa para aplicaciones posteriores. —para lo cual las energías de protones altas y uniformes son extremadamente beneficiosas.
Una de estas aplicaciones es la investigación de nuevos conceptos radiobiológicos para un tratamiento tumoral preciso y cuidadoso. Con este método se aplican dosis muy altas de radiación durante un período muy corto. Para estos estudios hasta ahora se han utilizado principalmente aceleradores de terapia convencionales a gran escala, que sólo están disponibles en unos pocos centros en Alemania y que, por supuesto, tienen prioridad para el tratamiento de los pacientes.
El nuevo procedimiento HZDR ahora hace que el uso de sistemas láser compactos sea más probable, lo que permite que grupos de investigación adicionales accedan a estas investigaciones y faciliten escenarios de radiación que los sistemas convencionales no pueden ofrecer. "Además, las instalaciones actuales necesitan mucha energía", afirma Ziegler. "Basados en la aceleración del plasma láser, podrían ser mucho más económicos."
El procedimiento también podría utilizarse para la generación eficiente de neutrones. Los destellos láser se pueden emplear para producir pulsos de neutrones intensos y cortos, que son de interés para su uso en ciencia y tecnología, así como para el análisis de materiales.
También en este caso los aceleradores de plasma prometen ampliar significativamente los campos de aplicación anteriores. Pero antes que nada, los científicos quieren perfeccionar el nuevo método y comprenderlo mejor. Entre otras cosas, quieren cooperar con otros laboratorios para controlar el proceso con mayor precisión y hacer que la tecnología esté más disponible. Y también hay más récords en la agenda:energías de más de 200 MeV parecen totalmente posibles.
Más información: Tim Ziegler et al, haces de protones de alta energía impulsados por láser a partir de regímenes de aceleración en cascada, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02505-0
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
