Accelerazione del Wakefield del laser

Accelerazione del campo di scia del laser è una tecnica che utilizza un intenso impulso laser per accelerare gli elettroni a energie molto elevate su una distanza straordinariamente breve: macchine potenzialmente rimpicciolite che oggi riempiono chilometri fino alle dimensioni di un tavolo. Proposto da Toshiki Tajima e John Dawson nel 1979, è diventato uno dei percorsi più promettenti per realizzare acceleratori di particelle compatti ed economici.

Navigare su un'onda nel plasma

Il trucco è far passare un'onda attraverso plasma - un gas così caldo o ionizzato che i suoi elettroni sono stati strappati dai suoi atomi. Quando un impulso laser ultracorto e ultraintenso attraversa il plasma, la sua pressione di radiazione spinge da parte gli elettroni leggeri del plasma, lasciando dietro di sé una bolla di carica positiva. Gli elettroni spostati ritornano indietro e superano, creando un oscillante onda di plasma che trascina il laser come la scia dietro un motoscafo. Un gruppo di elettroni posizionati correttamente può "surfare" questa scia, cavalcando il suo enorme campo elettrico e guadagnando energia continuamente.

Perché è rivoluzionario

Il vantaggio è la forza del campo in accelerazione. Gli acceleratori convenzionali sono limitati perché le loro cavità metalliche si rompono (scintilla) al di sopra di circa 100 milioni di volt al metro. Il plasma è già scomposto – è ionizzato – quindi può sostenere campi migliaia di volte più forti, dell’ordine di 100 miliardi di volt al metro. Un aumento di energia che richiede molti metri a una macchina convenzionale può essere ottenuto in millimetri. Gli esperimenti hanno accelerato gli elettroni fino a diversi miliardi di elettronvolt in soli centimetri di plasma.

Applicazioni e sfide

Gli acceleratori di plasma compatti promettono fonti più economiche di elettroni ad alta energia e dei brillanti raggi X che generano, con usi dalla scienza dei materiali e dalla medicina all’imaging e, potenzialmente, futuri collisori fisici ad alta energia. Le sfide principali sono il controllo e la coerenza: mantenere il laser, il plasma e il gruppo di elettroni perfettamente abbinati in modo che il raggio di uscita sia stabile, ben focalizzato e riproducibile. Gran parte della ricerca attuale mira proprio a questi ostacoli ingegneristici.

Un malinteso comune

Il laser non spinge direttamente gli elettroni ad alta energia. Il compito del laser è creare e modellare l'onda del plasma; è il campo elettrico di quell’onda – non la luce stessa – che accelera. Gli elettroni ottengono la loro energia dal movimento collettivo del plasma, con il laser che funge da motore.