INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Il team di ricerca del gruppo SPARC_LAB dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN ha dimostrato che la tecnica di accelerazione al plasma permette di ottenere un fascio di particelle di alta qualità confrontabile con quelli prodotti dagli acceleratori tradizionali.
I risultati di questo studio sono stati pubblicati su Nature e segnano un’importante passo in avanti verso la realizzazione di acceleratori di particelle compatti e portatili, per l’impiego non solo nel campo della ricerca ma anche in ambito medico e industriale.
La possibilità di accelerare un fascio di elettroni a velocità ultra-relativistiche su piccole distanze usando la tecnologia basata sul plasma costituisce un elemento chiave per una rivoluzione nel campo degli acceleratori di particelle.
Nonostante gli altissimi gradienti acceleranti prodotti in un plasma (fino a tre ordini di grandezza superiori rispetto alle macchine convenzionali basate su tecnologia a radio-frequenza), il loro utilizzo è stato finora limitato a causa della bassa qualità del fascio prodotto. Lo studio pubblicato su Nature condotto a SPARC_LAB ha dimostrato per la prima volta la possibilità di utilizzare un fascio di alta qualità accelerato da un’onda di plasma per generare radiazione coerente in un Free Electron Laser (FEL) nello spettro dell’infrarosso.
Il risultato è stato ottenuto iniettando due pacchetti di elettroni (con dimensioni di poche decine di micron) nel plasma contenuto in un capillare di plastica di 3 cm di lunghezza. Per prima cosa è necessario creare il plasma, ionizzando idrogeno gassoso attraverso una scarica elettrica ad alta tensione. In questo punto vengono iniettati i due pacchetti di elettroni. Il primo pacchetto (driver) ha la funzione di eccitare le onde acceleranti nel plasma, che sono poi sfruttate dal secondo pacchetto (witness) che viene accelerato. L’alta qualità del witness in ingresso al plasma è mantenuta durante il processo di accelerazione e, in aggiunta alla sua alta corrente, è in grado di pilotare il FEL generando impulsi di luce coerente. L’esperimento condotto a SPARC_LAB ha permesso di ottenere impulsi di luce con energie dell’ordine di 30 nJ.
“La tecnica di accelerazione al plasma consentirà di realizzare acceleratori in spazi molto ridotti, contenendo i costi di costruzione delle infrastrutture ospitanti, e rendendo così questa tecnologia più accessibile e disponibile anche per applicazioni mediche in ospedali opportunamente attrezzati, e tanto più nel caso di infrastrutture sotterranee come quelle necessarie per gli acceleratori ad alta energia per la fisica delle particelle”, sottolinea Riccardo Pompili, Principal Investigator dell’esperimento condotto a SPARC_LAB.
“Questo risultato non solo ha una grande rilevanza scientifica di per sé ma rappresenta anche un passo avanti fondamentale per la realizzazione del nuovo progetto EuPRAXIA, che ambisce proprio a realizzare la prima infrastruttura di ricerca rivolta agli utenti, basata sull’accelerazione a plasma” spiega Massimo Ferrario, responsabile del progetto EuPRAXIA@SPARC_LAB, sostenuto anche attraverso un contributo finanziario del MUR Ministero dell’Università e della Ricerca, e recentemente entrato nella roadmap di ESFRI, il forum strategico europeo per le infrastrutture di ricerca.