Quando pulsos de luz de um sistema de laser extremamente poderoso são disparados sobre amostras de materiais, o campo elétrico da luz arranca os elétrons dos núcleos atômicos. Por frações de segundo, um plasma é criado. Os elétrons se acoplam à luz do laser no processo, atingindo assim quase a velocidade da luz. Ao voar para fora da amostra de material, eles puxam os núcleos atômicos (íons) por trás deles. A fim de investigar este complexo processo de aceleração experimentalmente, pesquisadores do centro de pesquisa alemão Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desenvolveram um novo tipo de diagnóstico para inovadores aceleradores de partículas baseados em laser. Seus resultados agora são publicados na revista Revisão Física X .

"Nosso objetivo é um acelerador ultracompacto para terapia iônica, ou seja, irradiação de câncer com partículas carregadas, "diz o físico Dr. Thomas Kluge do HZDR. Além das clínicas, a nova tecnologia de acelerador também pode beneficiar universidades e instituições de pesquisa. Contudo, muito trabalho de pesquisa e desenvolvimento é necessário antes que a tecnologia esteja pronta para uso. O laser DRACO no Helmholtz Center em Dresden atinge atualmente energias de cerca de 50 megaeletronvolts. Contudo, São necessários 200 a 250 megaeletronvolts para irradiar um tumor com prótons.

Graças a seus pulsos ultracurtos na faixa de alguns femtossegundos - um tempo durante o qual um feixe de luz viaja a uma distância de uma fração de um cabelo humano - o laser DRACO atinge uma potência de quase um petawatt. Isso corresponde a 100 vezes a energia elétrica média gerada em todo o mundo.

"Precisamos entender os processos individuais envolvidos na aceleração de elétrons e íons muito melhor, "diz Kluge. Junto com colegas de Dresden, Hamburgo, Jena, Siegen e os EUA, os pesquisadores do HZDR observaram esses processos extremamente rápidos virtualmente em tempo real no SLAC National Accelerator Laboratory da Stanford University nos EUA.

Para alcançar esta façanha, os cientistas usaram dois lasers especiais ao mesmo tempo:o laser de alta intensidade no SLAC tem uma potência de cerca de 40 terawatts, ou seja, cerca de 25 vezes mais fraco do que DRACO. Ao atingir a amostra de material (alvo), ele inflama o plasma. O segundo laser é um laser de raios-X, que é usado para registrar os processos individuais, da ionização das partículas no alvo e da expansão do plasma, às oscilações e instabilidades do plasma que ocorrem quando os elétrons são aquecidos a vários milhões de graus Celsius, e a aceleração eficiente dos elétrons e íons.

"Usando o método de espalhamento de pequeno ângulo, realizamos medições na faixa de femtossegundos e em escalas que variam de alguns nanômetros a várias centenas de nanômetros, "diz a estudante de doutorado do HZDR Melanie Rödel, que desempenhou um papel de liderança no experimento. Vários anos de trabalho foram necessários para acessar essas áreas e obter sinais limpos nas imagens de espalhamento do laser de raios-X.

“O novo diagnóstico para aceleradores baseados em laser confirmou de forma excelente nossas expectativas em relação à sua resolução espacial e temporal. Assim, abrimos o caminho para a observação direta de processos físicos de plasma em tempo real, "diz a Dra. Josefine Metzkes-Ng, chefe de um dos grupos de pesquisa júnior participantes no Instituto de Física de Radiação do HZDR.

A partir de 2019, o Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), que o HZDR está configurando atualmente como parte de uma colaboração internacional com o laser de raios-X mais forte do mundo, o XFEL europeu perto de Hamburgo, na Alemanha, fornecerá uma configuração experimental de próxima geração com um laser de pulso curto significativamente mais poderoso.

Alta densidade de elétrons graças à estrutura do dedo

Para os físicos envolvidos nos experimentos, um detalhe específico de seus cálculos feitos para um abrir de olhos em particular. "Nossos alvos foram desenvolvidos especialmente no HZDR Ion Beam Center para ter uma espécie de pequena estrutura de dedo em sua superfície. O feixe de laser se espalha nesta estrutura, resultando em um número particularmente grande de elétrons dos cantos sendo acelerados e se cruzando, "explica Thomas Kluge.

O fato de esse detalhe previsto pelos cálculos ter sido observado no experimento, que dura apenas 10 femtossegundos, significa que os cientistas podem observar mais formações de padrões espontâneos (instabilidades). Isso pode ser causado, por exemplo, pela oscilação dos elétrons no campo eletromagnético do laser.

Os pesquisadores estão interessados ​​em identificar instabilidades que interrompam a aceleração dos elétrons e íons, com o objetivo de evitá-los selecionando alvos adequados, por exemplo. "Contudo, também sabemos por nossas simulações que as instabilidades podem até aumentar a eficiência do processo de aceleração, "explica o físico." Em nossas simulações, identificamos a instabilidade de Raleigh-Taylor, entre outros. “Isso faz com que o laser óptico transfira mais energia para o plasma que ele gera. Essas instabilidades 'positivas' poderiam ser importantes para otimizar o processo de aceleração iônica mediado pelos elétrons.

Os cientistas do laser esperam que a nova instalação HIBEF forneça muito mais informações sobre a aceleração do plasma. Este 'laboratório extremo' do HZDR fornecerá lasers de alta potência ao instrumento High Energy Density Science (HED) do European XFEL. "O pulso de raios-X do XFEL europeu, com o qual estaremos medindo os processos no plasma, é muito curto. Também estamos planejando usar ferramentas de diagnóstico adicionais para que possamos estudar de forma otimizada as oscilações do plasma, por exemplo, veja mais instabilidades no experimento, e também gerá-los de maneira direcionada, "diz Thomas Kluge. Desta forma, os pesquisadores do HZDR pretendem se aproximar gradualmente de seu objetivo de desenvolver um acelerador a laser ultracompacto para a terapia de prótons do câncer.

Os cientistas deram um passo decisivo em direção ao uso de aceleradores de partículas baseados em laser de última geração. Com a ajuda do poderoso laser de elétrons livres de raios-X no SLAC na Califórnia, eles foram capazes de investigar os processos de plasma pela primeira vez nas pequenas escalas de alguns nanômetros e femtossegundos em que ocorre a interação turbulenta do laser com as partículas a serem aceleradas. No futuro, os processos poderiam, assim, ser otimizados e os aceleradores de partículas compactos baseados em laser poderiam ser usados, por exemplo, para irradiação de tumor usando prótons.