Acceleratori di particelle più potenti e piccoli: possibili (forse) grazie a una nuova tecnica LASER

Gli acceleratori di particelle sono gli strumenti cardine per comprendere la struttura subatomica della materia. Se fossero più piccoli e potenti si potrebbero effettuare nuovi e importanti esperimenti.

Diciamoci la verità. Più che un nuovo Laser per acceleratori di particelle, vorremmo leggere la notizia che è stato inventata una tecnologia che permetta di costruire spade Laser alla Star Wars. Sappiamo – ahimè – che non è possibile farlo, però anche agli scienziati è permesso sognare.

Ma torniamo alla dura realtà.

Per comprendere la natura subatomica della materia occorre far scontrare particelle che viaggiano a grandissime velocità all’interno di strutture imponenti che si chiamano acceleratori di particelle.

Ad esempio, per scoprire il bosone di Higgs, gli scienziati del laboratorio del CERN in Svizzera hanno usato un acceleratore di particelle con una circonferenza pari a circa 27 km, chiamato LHC.

E se ci fosse un modo per ridurre le dimensioni degli acceleratori di particelle senza perdere la potenza o anzi riuscendo a produrre elettroni ad alta energia?

Chi leggendo ciò pensa che stia di nuovo vaneggiando come per le spade Laser, questa volta si sbaglia.

In un articolo pubblicato su Physical Review Letters, gli scienziati del Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell’Università di Rochester hanno creato un metodo per produrre luce laser intensa e in un modo tale per cui gli elettroni potrebbero essere accelerati usando distanze molto minori rispetto a quelle attualmente necessarie.

Un acceleratore con questa tecnologia potrebbe essere 10.000 volte più piccolo rispetto a uno tradizionale.

In particolare si stima che un acceleratore con questa tecnologia potrebbe essere 10.000 volte più piccolo rispetto a uno tradizionale.

Praticamente potremmo costruire acceleratori di particelle della dimensione di un tavolo da pranzo, eseguire esperimenti in molti laboratori per esplorare l’esistenza di dimensioni extra e nuove particelle che potrebbero portare al sogno di Albert Einstein di una grande teoria unificata dell’universo.

Questa ricerca è però attualmente solo teorica anche il LLE sta lavorando per renderlo realtà. Il nuovo laser si chiamerà EP-OPAL e (forse) consentirà ai ricercatori di realizzare il sogno di un acceleratore di particelle da tavolo.

I ricercatori hanno sviluppato una nuova configurazione ottica che ricorda un anfiteatro circolare con “gradini” di lunghezza d’onda utilizzati per creare un ritardo tra gli anelli concentrici di luce erogati da un laser ad alta potenza.

Una lente focalizza ogni anello di luce proveniente da un laser a una specifica distanza dalla lente stessa, formando un singolo punto di luce ad alta intensità.

Invece di utilizzare un obiettivo normale, tuttavia, i ricercatori utilizzano un obiettivo di forma esotica, che consente loro di focalizzare ogni anello di luce a una distanza diversa dall’obiettivo, creando una linea di alta intensità anziché un singolo punto.

Quando questo impulso di luce entra in un plasma crea una scia, simile quella che potrebbe essere lasciata dietro una barca a motore, che si propaga alla velocità della luce. Proprio come uno sciatore d’acqua che cavalca sulla scia lasciata dalla barca, gli elettroni accelerano mentre cavalcano la scia degli impulsi di luce laser.

Questi acceleratori al plasma (LWFA) sono stati teorizzati per la prima volta circa 40 anni fa e sono valsi addirittura il Premio Nobel 2018 per Donna Strickland e Gerard Mourou “per il loro metodo di generazione di impulsi ottici ad alta intensità e ultracorti”.

Le versioni precedenti di LWFA, tuttavia, utilizzavano impulsi di luce tradizionali e non strutturati che si propagavano più lentamente della velocità della luce, il che significava che gli elettroni avrebbero superato la scia, limitando la loro accelerazione.

I nuovi impulsi di luce invece riescono ad aggirare questo problema.

Questo lavoro è estremamente innovativo e cambierebbe completamente la nostra visione degli acceleratori laser. Una ricerca che mostra il valore della fisica del plasma teorica e sperimentale.

conclude Michael Campbell, direttore del LLE.

 

• Viewpoint: Lining Up for Wakefield Acceleration (physics.aps.org)