Ilumine um poderoso laser sobre um sólido, e você obtém um feixe de prótons de alta energia. Longe de ser uma curiosidade, este fenômeno tem aplicações importantes, como na pesquisa de geração de nêutrons. Teoricamente, quanto mais intenso o laser, o mais rápido (em outras palavras, mais energético) os prótons resultantes. Contudo, recentemente parece que batemos em uma parede, com lasers mais fortes falhando em produzir o aumento esperado na aceleração.

O problema ocorre ao tentar empurrar as energias do próton além de cerca de 100 megaeletronvolts. Até aquele ponto, as energias escalam bem com as intensidades do laser, permitindo uma fórmula simples para prever a saída da entrada. Em intensidades mais altas, no entanto, a teoria quebra, e superestima significativamente a energia do feixe, por razões não totalmente compreendidas. Agora, em um Nature Communications estude, uma equipe internacional de cientistas liderada pela Universidade de Osaka descobriu uma peça do quebra-cabeça.

A aceleração de prótons é, na verdade, um efeito secundário do bombardeio a laser. Inicialmente, o laser expulsa elétrons do alvo sólido e fino. Aproximando-se da velocidade da luz, esses elétrons, então, criam um poderoso campo elétrico, conhecido como campo de revestimento, e é isso que acelera os prótons próximos. Contudo, os pesquisadores de Osaka perceberam que as teorias anteriores negligenciavam um obstáculo crucial:o magnetismo.

"A bainha efetivamente forma um declive, e os prótons aceleram através desta inclinação em ângulos retos com o alvo, "explica o autor principal do estudo, Motoaki Nakatsutsumi." Infelizmente, os elétrons que constroem a bainha também geram uma corrente, que dá origem a um campo magnético, chamado de campo B. Este magnetismo compromete todo o processo, prendendo elétrons na superfície do alvo. Enquanto, prótons são desviados para longe da bainha. "

A auto-inibição piora progressivamente com potências de laser mais altas, criando campos B tão fortes quanto 100 mega-gauss. Os prótons, portanto, tornam-se menos energéticos e se espalham amplamente, como a equipe confirmou em experimentos.

Auxiliado por simulações, a equipe explorou duas estratégias para minimizar esse efeito. Perceber que o campo B leva algum tempo para atingir a força máxima, eles imaginaram que pulsos de laser extremamente breves poderiam permitir que os prótons o ultrapassassem. Isso funciona até certo ponto. Contudo, cálculos mostraram que mesmo os pulsos mais rápidos do que 100 femtossegundos não conseguiriam impedir a inibição magnética quando os lasers mais intensos fossem usados.

A segunda ideia era usar alvos sólidos muito mais finos do que o tamanho do ponto de laser, o que enfraquece o efeito do campo B nas trajetórias dos elétrons. Infelizmente, a espessura do alvo é limitada pelo perfil temporal do laser, de modo que temos que aumentar o tamanho do ponto de laser, o que requer mais energia do laser, por exemplo., sistema de laser mais caro.

"A inibição magnética pode ser um grande gargalo para uma série de métodos de aceleração de partículas, “Prevê Nakatsutsumi.“ Não se trata apenas de lasers - a aceleração da radiação também pode ser afetada. Até agora, não encontramos um remédio direto. Contudo, esta é uma área de pesquisa inovadora, e não tenho dúvidas de que o obstáculo pode ser superado. Esperamos que nossos insights sobre o mecanismo de inibição sejam uma base sólida para a solução. "