Usando uma combinação de vários feixes de laser, pesquisadores da Universidade de Osaka demonstraram aceleração de elétrons e íons de alta qualidade, que é essencial para futuros aceleradores compactos de alta energia e fontes de raios X de alto brilho.

Nos últimos anos, a aceleração de partículas acionada por laser atraiu atenção significativa como uma alternativa compacta aos aceleradores convencionais de radiofrequência usados ​​em experimentos de física de alta energia e instalações médicas. A aceleração acionada por laser é baseada na interação de intensos pulsos de laser com plasmas, que são gases ionizados. Quando um pulso de laser de alta potência interage com um plasma, pode gerar fortes campos elétricos e magnéticos que podem acelerar elétrons e íons a energias muito altas.

No entanto, um dos desafios da aceleração a laser é manter a qualidade das partículas aceleradas. Quando um único pulso de laser é usado para acelerar partículas, o processo de aceleração pode ser instável, levando a variações na energia e nas trajetórias das partículas aceleradas. Isto pode limitar as aplicações de aceleração acionada por laser em ambientes práticos.

Para superar esses desafios, pesquisadores da Universidade de Osaka, liderados pelo professor Yasuhiko Sentoku, exploraram uma nova abordagem usando múltiplos feixes de laser. Ao dividir um único pulso de laser em vários feixes e depois recombiná-los de uma maneira específica, os pesquisadores conseguiram obter uma aceleração mais estável e controlada de elétrons e íons.

Em seus experimentos, os pesquisadores usaram um sistema de laser de alta potência chamado “10 PW Laser Facility” no Instituto de Engenharia de Laser (ILE) da Universidade de Osaka. O sistema de laser pode fornecer pulsos de laser ultraintensos com potência de pico de 10 petawatts (PW), o que equivale ao consumo total de energia elétrica de todos os Estados Unidos.

Ao usar vários feixes de laser, os pesquisadores observaram uma aceleração melhorada de elétrons e íons em comparação com o caso de um único pulso de laser. Os elétrons acelerados atingiram energias de vários GeV, enquanto os íons acelerados atingiram energias de vários MeV. A qualidade das partículas aceleradas, em termos de dispersão de energia e divergência angular, foi significativamente melhor usando múltiplos feixes de laser.

A melhoria no desempenho da aceleração de partículas foi atribuída à interação mais estável e controlada entre os múltiplos feixes de laser e o plasma. O uso de múltiplos feixes permitiu um melhor controle da intensidade do laser e da distribuição de fase, o que resultou em uma aceleração mais eficiente e melhor qualidade do feixe.

A equipe de pesquisa acredita que o uso de múltiplos feixes de laser pode abrir caminho para o desenvolvimento de aceleradores de partículas acionados por laser de próxima geração que sejam compactos, eficientes e capazes de produzir feixes de partículas de alta qualidade. Esses aceleradores poderiam ter uma ampla gama de aplicações, incluindo pesquisa fundamental em física de altas energias, fontes compactas de radiação para fins médicos e industriais e técnicas avançadas de imagem, como microscopia de raios X e tomografia.