Récord en aceleración de protones mediante plasma por láser

Valiéndose de un método innovador, unos científicos han conseguido superar por mucho el récord anterior de aceleración de protones mediante plasma por láser. Y, por vez primera, se han alcanzado energías que, hasta ahora, parecían exclusivas de máquinas mucho más grandes.

 

El logro es obra del equipo de Tim Ziegler y Karl Zeil, del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) en Alemania.

 

La aceleración mediante plasma por láser abre interesantes perspectivas: en comparación con los aceleradores convencionales, los aceleradores mediante plasma por láser son muchísimo más pequeños y energéticamente más eficientes, porque, a diferencia de esos, utilizan láseres para acelerar las partículas.

 

El principio de funcionamiento consiste en disparar pulsos láser extremadamente cortos pero de alta intensidad sobre láminas muy finas. La luz calienta el material hasta tal punto que salen de él innumerables electrones mientras los núcleos atómicos permanecen en su sitio. Como los electrones tienen carga negativa y los núcleos atómicos positiva, se forma un fuerte campo eléctrico entre ellos durante un breve espacio de tiempo. Este campo puede catapultar un pulso de protones a través de unos pocos micrómetros a energías que requerirían distancias sustancialmente mayores si se emplease la tecnología de los aceleradores convencionales.

 

Esta nueva tecnología, sin embargo, se encuentra todavía en fase de investigación: hasta ahora, solo había sido posible alcanzar energías de protones de hasta 100 megaelectronvoltios (MeV) y únicamente mediante el uso de sistemas láser extremadamente grandes, de los que solo existen unos pocos en el mundo.

 

Para conseguir energías de aceleración igual de elevadas con instalaciones láser más pequeñas y pulsos más cortos, el equipo de Zeil y Ziegler adoptó un nuevo enfoque. Aprovecharon una propiedad de los destellos láser que suele considerarse un defecto: «La energía de un pulso no se activa inmediatamente, que sería el caso ideal», explica Ziegler. «En vez de eso, un poco de la energía del láser se precipita por delante, como una especie de vanguardia».

 

En el nuevo método, es esta luz que se adelanta la que desempeña un papel clave. Cuando choca con una lámina de plástico fabricada especialmente en una cámara de vacío, puede modificarla de una forma específica: «La lámina se expande por efecto de la luz y se calienta y adelgaza», explica Ziegler. «La lámina se funde durante el proceso de calentamiento». Esto tiene un efecto positivo en el pulso primario que le sigue inmediatamente: la lámina, que de otro modo reflejaría en gran medida la luz, se vuelve de repente transparente, lo que permite que el pulso primario penetre más profundamente en el material que en experimentos anteriores.

 

El equipo del HZDR ha conseguido aumentar significativamente la aceleración de protones mediante impulsos láser utilizando un método innovador. (Imagen: HZDR / Blaurock)

 

El resultado es que en el material se desencadena una compleja cascada de mecanismos de aceleración que hace que los protones contenidos en la película se aceleren mucho más de lo que lo hacían en otros sistemas láser. En el caso del HZDR, se ha pasado de una energía de aproximadamente 80 MeV, a una de 150 MeV, casi el doble.

 

Ahora, aplicaciones prometedoras en medicina y en ciencia de los materiales se han vuelto mucho más plausibles.

 

Zeil, Ziegler y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance tecnológico en la revista académica Nature Physics, bajo el título "Laser-driven high-energy proton beams from cascaded acceleration regimes". (Fuente: NCYT de Amazings)