Acceleratore da tavolo: microugelli e laser sostituiranno gli acceleratori giganti

Energia

Redazione del sito web di Innovazione Tecnologica - 26/06/2025

Una barra di idrogeno solido è inserita in un microugello di alluminio, che canalizza e focalizza il flusso di plasma per ottimizzare l'accelerazione dei protoni. [Immagine: Masakatsu Murakami]

Acceleratore a microugello

Fasci di particelle con energie nell'ordine dei giga-elettronvolt (GeV), attualmente considerati realizzabili solo con grandi acceleratori di particelle, potrebbero presto essere generati in configurazioni compatte, rendendo non solo la tecnica molto più economica da utilizzare, ma anche aprendo la strada al suo impiego in applicazioni più piccole.

Masakatsu Murakami e i suoi colleghi dell'Università di Osaka in Giappone hanno sviluppato un nuovo concetto che chiamano accelerazione tramite microugelli.

Progettando un microbersaglio con caratteristiche ridotte, simili all'ugello di iniezione del carburante di un'auto, e irradiandolo con impulsi laser molto intensi ma anche molto rapidi, il team ha sviluppato un nuovo modo per generare fasci di protoni di classe GeV di alta qualità: una novità mondiale.

A differenza dei tradizionali metodi di accelerazione basati sul laser, che utilizzano bersagli piatti e raggiungono limiti energetici inferiori a 100 megaelettronvolt (MeV) (1 GeV = 1000 MeV), la struttura del microugello consente di ottenere un'accelerazione sostenuta e graduale dei protoni all'interno di un campo elettrico quasi statico creato all'interno del bersaglio.

Le simulazioni numeriche dimostrano che il nuovo meccanismo consentirà di raggiungere energie protoniche superiori a 1 GeV, con un'eccellente qualità e stabilità del fascio.

L'accelerazione tramite microugello utilizza un piccolo ugello che ospita una barra di idrogeno solido (barra di H), posizionata con precisione vicino al collo dell'ugello per massimizzare la resa protonica. Agendo come una "lente di potenza", il microugello concentra l'energia laser incidente sulla barra di H, consentendo un deposito di energia efficiente e localizzato. [Immagine: M. Murakami et al. - 10.1038/s41598-025-03385-x]

Vale la pena provarlo

Ora che il progetto è pronto e la dimostrazione matematica è stata completata, gli sperimentatori e gli ingegneri dovranno mettersi all'opera per dimostrare che funziona nella pratica.

Ciò sarà notevolmente facilitato dalle dimensioni compatte del nuovo acceleratore, rispetto agli acceleratori giganteschi, la cui progettazione e costruzione richiedono decenni.

Varrà la pena di testarli, poiché gli acceleratori di protoni ad alta energia hanno applicazioni che vanno oltre la fisica fondamentale, tra cui reattori a fusione nucleare basati su laser e sistemi più compatti e precisi per la terapia del cancro.

"Questa scoperta apre una nuova strada all'accelerazione di particelle compatta e ad alta efficienza", ha affermato Murakami. "Riteniamo che questo metodo abbia il potenziale per rivoluzionare settori come l'energia da fusione laser , la radioterapia avanzata e persino l'astrofisica su scala di laboratorio".

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