Uma equipe de pesquisa do HZDR conseguiu aumentar significativamente a aceleração de prótons por meio de pulso de laser usando um método inovador. Crédito: HZDR/Blaurock
Cientistas alcançam novo recorde energético para aceleradores de prótons de próxima geração
O Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) fez um avanço significativo no laser plasma aceleração. Ao empregar um método inovador, uma equipa de investigação conseguiu ultrapassar substancialmente o recorde anterior de aceleração de protões. Pela primeira vez, alcançaram energias que até agora só pareciam possíveis em instalações muito maiores. Como o grupo de pesquisa relatou na revista Física da Naturezaaplicações promissoras na medicina e na ciência dos materiais tornaram-se agora muito mais prováveis.
Aceleradores compactos e energeticamente eficientes
A aceleração do plasma a laser abre perspectivas interessantes. Em comparação com aceleradores convencionais, promete instalações mais compactas e mais eficientes em termos energéticos – porque em vez de utilizar poderosas ondas de rádio para movimentar as partículas, a nova tecnologia utiliza lasers para acelerá-las.
O princípio é que pulsos de laser extremamente curtos, mas de alta intensidade, disparam em folhas finas como wafer. A luz aquece o material a tal ponto que inúmeros elétrons emergem dele enquanto os núcleos atômicos permanecem no lugar. Como os elétrons têm carga negativa e os núcleos atômicos são positivos, um forte campo elétrico é formado entre eles por um curto período de tempo. Este campo pode catapultar um pulso de prótons de apenas alguns micrômetros para energias que exigiriam distâncias substancialmente maiores usando tecnologia de acelerador convencional.
Esta tecnologia, no entanto, ainda está em fase de investigação: até agora, só foi possível atingir energias de protões até 100 MeV e apenas através da utilização de sistemas laser extremamente grandes, dos quais existem poucos no mundo. A fim de alcançar energias de acelerador igualmente altas com instalações de laser menores e pulsos mais curtos, a equipe de físicos do HZDR, Karl Zeil e Tim Ziegler, buscou uma nova abordagem.
Eles aproveitam uma propriedade dos flashes de laser que geralmente é vista como uma falha. “A energia de um pulso não entra em ação imediatamente, o que seria o caso ideal”, relata Ziegler. “Em vez disso, um pouco da energia do laser avança, como uma espécie de vanguarda.”
De repente transparente
No novo conceito, é esta luz que avança que desempenha um papel fundamental. Quando atinge uma folha plástica especialmente fabricada em uma câmara de vácuo, pode alterá-la de uma maneira específica.
“A folha se expande devido à influência da luz e fica cada vez mais quente e fina”, explica Ziegler. “A folha derrete efetivamente durante o processo de aquecimento.”
Isto tem um impacto positivo no pulso primário que se segue imediatamente: a folha, que de outra forma refletiria amplamente a luz, torna-se repentinamente transparente, o que permite que o pulso primário penetre mais profundamente no material do que em experimentos anteriores.
“O resultado é que uma complexa cascata de mecanismos de aceleração é acionada no material”, diz Ziegler, “fazendo com que os prótons contidos no filme sejam acelerados muito mais do que foram pelo nosso laser DRACO”. Em números: embora a instalação anteriormente atingisse energias de prótons de aproximadamente 80 MeV, agora pode gerar 150 MeV – quase o dobro.
Para atingir esse recorde, a equipe teve que realizar uma série de experimentos para se aproximar dos parâmetros de interação perfeitos, por exemplo, no que diz respeito à espessura ideal dos filmes utilizados. Ao analisar os dados de medição, o grupo de investigação descobriu que o feixe de partículas acelerado tinha outra propriedade agradável: os protões de alta energia exibem uma distribuição de energia estreita, o que significa que, figurativamente falando, são todos igualmente rápidos – uma característica vantajosa para aplicações posteriores. – para os quais energias de prótons altas e uniformes são extremamente benéficas.
Vantagem: Eficiência Energética
Uma dessas aplicações é investigar novos conceitos radiobiológicos para tratamento tumoral preciso e suave. Usando este método, doses muito elevadas de radiação são aplicadas durante um período muito curto. Para estes estudos, até agora, foram utilizados principalmente aceleradores de terapia convencional em grande escala, disponíveis apenas em alguns centros na Alemanha e que são, obviamente, priorizados para o tratamento de pacientes.
O novo procedimento HZDR torna agora mais provável a utilização de sistemas laser compactos, permitindo que grupos de investigação adicionais tenham acesso a estas investigações e facilitem cenários de radiação, que os sistemas convencionais não conseguem fornecer.
“Além disso, as instalações atuais precisam de muita energia”, afirma Ziegler. “Com base na aceleração do plasma a laser, eles poderiam ser muito mais econômicos.”
O procedimento também poderia ser usado para a geração eficiente de nêutrons. Os flashes de laser podem ser empregados para produzir pulsos de nêutrons curtos e intensos, que são de interesse para uso em ciência e tecnologia, bem como para análise de materiais. Também aqui os aceleradores de plasma prometem expandir significativamente os campos de aplicação anteriores. Mas antes de tudo, os cientistas querem refinar o novo método e compreendê-lo melhor. Entre outras coisas, querem cooperar com outros laboratórios para controlar o processo com mais precisão e tornar a tecnologia mais disponível. Outros recordes também estão na agenda: energias superiores a 200 MeV parecem inteiramente possíveis.
Referência: “Feixes de prótons de alta energia acionados por laser a partir de regimes de aceleração em cascata” por Tim Ziegler, Ilja Göthel, Stefan Assenbaum, Constantin Bernert, Florian-Emanuel Brack, Thomas E. Cowan, Nicholas P. Dover, Lennart Gaus, Thomas Kluge, Stephan Kraft, Florian Kroll, Josefine Metzkes-Ng, Mamiko Nishiuchi, Irene Prencipe, Thomas Püschel, Martin Rehwald, Marvin Reimold, Hans-Peter Schlenvoigt, Marvin EP Umlandt, Milenko Vescovi, Ulrich Schramm e Karl Zeil, 13 de maio de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02505-0
