Nuova tecnica laser: verso gli acceleratori di particelle in miniatura

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Lo studio sulla nuova tecnica laser è stato pubblicato su Physical Review Letters.

L’importanza dell’infinitamente piccolo

L’università di Rochester ha messo a punto una nuova tecnica laser in grado di rivoluzionare la nostra idea di acceleratore a particelle.  Osservare gli elettroni accelerati ad altissimi livelli di energia è fondamentale per comprendere le particelle che compongono il nostro universo. Farlo in un laboratorio comporta dei problemi dovuti al fatto che per impiegare così tanta energia servono acceleratori di grosse dimensioni. Ad esempio,l’ acceleratore del CERN in Svizzera è lungo ventisette chilometri. Fortunatamente, gli scienziati del Laboratory for Laser Energetics (LLE) di Rochester hanno scoperto un metodo per raggiungere l’energia necessaria in distanze molto più brevi.  Il progetto è teorico, ma è in sviluppo un prototipo che promette acceleratori di particelle grandi quanto un tavolo da cucina.



Brevi distanze, potenze elevate

Il nuovo laser si chiamerà EP-OPAL e permetterà agli scienziati di produrre impulsi luminosi controllati estremamente potenti. Per controllare la struttura degli impulsi luminosi gli scienziati dell’LLE hanno studiato un nuovo tipo di struttura ottica detta echalon. Ha una forma simile a quella di un anfiteatro e sfrutta i suoi “gradini” per creare intervalli di tempo tra gli anelli concentrici di luce emessa da un laser molto potente. Una lente normale focalizza ogni anello di luce a una distanza fissa dalla lente, formando un unico punto ad alta intensità energetica. La lente di EP-OPAL, grazie alla sua forma peculiare, è in grado di focalizzare ogni anello a una distanza diversa così da formare un’intera linea ad alta intensità luminosa invece di un punto singolo.



Surfare su un mare di plasma

Con la nuova tecnica laser, quando un impulso luminoso “scolpito” dalla lente echalon entra nel plasma (una “zuppa” di ioni e elettroni liberi) crea una sorta di “onda” o scia, simile a quelle lasciate da un motoscafo nel mare. Mentre questa scia si propaga alla velocità della luce, gli elettroni ne vengono travolti e accelerati, come un surfista sull’onda. Questi acceleratori al plasma vennero teorizzati per la prima volta quarant’anni fa e si fecero innovazione con l’invenzione della CPA (chirped-pulse amplification), una tecnica sviluppata nel 2018 proprio al LLE dai premi Nobel  Donna Strickland e Gerard Mourou. Però, i precedenti acceleratori al plasma utilizzavano lenti tradizionali e di conseguenza impulsi luminosi non strutturati. Grazie alla lente echalon gli elettroni possono tenere la scia degli impulsi continuamente, mantenendosi accelerati.



Daniele Tolu

 

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