Hito en la aceleración de plasma: nuevo récord de energía para la próxima generación de aceleradores de protones
Las prometedoras aplicaciones en medicina y ciencia de materiales están cada vez más cerca
El Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha logrado un avance significativo en la aceleración de plasma por láser. Gracias a un método innovador, un equipo de investigadores ha logrado superar con creces el récord anterior de aceleración de protones. Por primera vez, alcanzaron energías que hasta ahora sólo parecían posibles en instalaciones mucho mayores. Según informa el grupo de investigación en la revista Nature Physics, ahora son mucho más probables aplicaciones prometedoras en medicina y ciencia de materiales.
La aceleración de plasma por láser abre interesantes perspectivas: en comparación con los aceleradores convencionales, promete instalaciones más compactas y eficientes desde el punto de vista energético, ya que en lugar de emplear potentes ondas de radio para poner en movimiento las partículas, la nueva tecnología utiliza láseres para acelerarlas. El principio 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 sólo unos pocos micrómetros hasta energías que requerirían distancias sustancialmente mayores utilizando la tecnología de aceleradores convencionales.
Sin embargo, esta tecnología aún se encuentra en fase de investigación: hasta ahora, sólo se han podido alcanzar energías de protones de hasta 100 MeV y únicamente utilizando sistemas láser extremadamente grandes, de los que sólo 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 los físicos del HZDR Karl Zeil y Tim Ziegler adoptó un nuevo enfoque. Aprovecharon una propiedad de los destellos láser que suele considerarse un defecto: "La energía de un pulso no entra en acción inmediatamente, que sería el caso ideal", informa Ziegler. "En lugar de eso, un poco de la energía del láser se precipita por delante, como una especie de vanguardia".
Transparencia repentina
En el nuevo concepto, es esta luz que se adelanta la que desempeña un papel clave. Cuando incide sobre una lámina de plástico fabricada especialmente en una cámara de vacío, puede cambiarla de una forma específica: "La lámina se expande debido a la influencia de la luz y se vuelve cada vez más caliente y delgada", explica Ziegler. "La lámina se funde efectivamente 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 resultado es que se desencadena en el material una compleja cascada de mecanismos de aceleración", afirma Ziegler, "que hace que los protones contenidos en la lámina se aceleren mucho más de lo que lo hacían con nuestro láser DRACO". En cifras: mientras que antes la instalación alcanzaba energías de protones de unos 80 MeV, ahora puede generar 150 MeV, casi el doble. Para lograr este récord, el equipo tuvo que realizar una serie de experimentos para aproximarse a los parámetros de interacción perfectos, por ejemplo en lo que respecta al grosor óptimo de las películas utilizadas. Al analizar los datos de las mediciones, el grupo de investigación descubrió que el haz de partículas acelerado tenía otra propiedad agradable: los protones de alta energía presentan una distribución de energía estrecha, lo que significa que, hablando en sentido figurado, son todos igual de rápidos, una característica ventajosa para aplicaciones posteriores, para las que las energías de protones altas y uniformes son extremadamente beneficiosas.
Ventaja: eficiencia energética
Una de estas aplicaciones es la investigación de nuevos conceptos radiobiológicos para el tratamiento preciso y suave de tumores. Con este método se aplican dosis muy altas de radiación durante un periodo muy corto. Para estos estudios, hasta ahora se han utilizado principalmente aceleradores de terapia convencional a gran escala que sólo están disponibles en unos pocos centros de Alemania y que, por supuesto, tienen prioridad para el tratamiento de los pacientes. El nuevo procedimiento HZDR hace ahora más probable el uso de sistemas láser compactos, lo que permitirá a más grupos de investigación acceder a estas investigaciones y facilitará escenarios de radiación que los sistemas convencionales no pueden ofrecer. "Además, las instalaciones actuales necesitan mucha potencia", afirma Ziegler. "Basadas en la aceleración por plasma láser podrían ser mucho más económicas".
El procedimiento también podría utilizarse para la generación eficiente de neutrones. Los destellos del láser pueden emplearse para producir pulsos de neutrones cortos e intensos, de interés para su uso en ciencia y tecnología, así como para el análisis de materiales. También en este caso, los aceleradores de plasma prometen ampliar considerablemente los campos de aplicación anteriores. Pero antes de nada, los científicos quieren perfeccionar el nuevo método y comprenderlo mejor. Entre otras cosas, quieren cooperar con otros laboratorios para controlar el proceso con mayor precisión y hacer que la tecnología esté más disponible. Y en la agenda también figuran nuevos récords: energías de más de 200 MeV parecen totalmente posibles.
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Publicación original
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 E. P. Umlandt, Milenko Vescovi, Ulrich Schramm, Karl Zeil; "Laser-driven high-energy proton beams from cascaded acceleration regimes"; Nature Physics, 2024-5-13
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