Une équipe de recherche basée au Japon dirigée par l'Université d'Osaka a démontré plusieurs points forts, des impulsions laser ultra-courtes qui promettent de nouveaux types de systèmes de faisceaux de protons potentiellement utiles dans des domaines tels que le traitement du cancer. En combinant les impulsions pour créer efficacement des impulsions plus longues, des particules chargées de haute énergie peuvent être produites à des intensités laser 100 fois inférieures à celles prévues par les modèles théoriques précédents. Ces résultats donnent un aperçu de la construction d'installations de faisceaux plus efficaces.

Des faisceaux de particules chargées telles que des protons sont utilisés pour répondre à des questions de physique fondamentale et ont des applications pratiques à la fois dans la thérapie du cancer et la puissance de fusion. Une façon de générer les particules chargées pour de tels faisceaux consistait à diriger des lasers puissants sur des feuilles de métal plus fines qu'un cheveu humain. Le métal libère alors des particules chargées. Les procédés actuels utilisent des feuilles 100 fois plus fines qu'un cheveu humain. De cette façon, la lumière laser à haute intensité peut conduire les électrons qu'elle frappe à des vitesses proches de la lumière.

Les chercheurs n'ont jusqu'à présent utilisé que de très courtes rafales de lumière laser, chacune durant une simple picoseconde. Lors de l'utilisation des impulsions, ils essaient de minimiser la quantité de lumière de fond pour créer une netteté (c'est-à-dire, contraste élevé) impulsions lumineuses. L'objectif est d'augmenter l'énergie des particules chargées et d'obtenir des faisceaux dans lesquels les particules ont toutes des énergies très proches. Les faisceaux à plus haute énergie dans lesquels l'énergie de chaque particule est connue exactement sont plus utiles, tant pour la recherche que pour la médecine. Bien que les lasers pulsés se soient révélés prometteurs dans ce domaine, jusque récemment, l'effet des impulsions laser pointues de plus d'une picoseconde était inconnu.

Maintenant, une équipe de recherche basée au Japon et centrée à l'Université d'Osaka a mené une étude plus détaillée sur l'utilisation de telles impulsions laser. Ils ont utilisé tranchant, impulsions ultra-courtes de lumière laser du Laser for Fast Ignition Experiments (LFEX) de l'Université d'Osaka. Le LFEX est l'un des lasers les plus puissants au monde. L'étude de l'équipe a récemment été publiée dans la revue Nature Rapports scientifiques .

LFEX dispose de quatre faisceaux laser extrêmement puissants. Les chercheurs ont utilisé des miroirs pour focaliser la lumière laser jusqu'à un point de la taille d'une particule de poussière. Cette lumière a été dirigée vers un morceau de papier d'aluminium ultra-mince pour générer un nuage de particules chargées, appelé plasma. Chaque faisceau laser est 1018 fois plus intense que la lumière du soleil. En général, une puissance aussi intense ne peut être générée que pendant une très courte période de temps; un défi expliquant pourquoi les impulsions laser pointues plus longues qu'une picoseconde n'avaient pas encore été étudiées.

"En chronométrant soigneusement le tir des quatre faisceaux, il nous a été possible de tirer efficacement chacun dans l'ordre pour générer des impulsions plus longues qui auraient autrement les mêmes caractéristiques nettes que des impulsions simples, ", explique le co-auteur de l'étude Hiroshi Azechi.

Les résultats remettent en question les modèles théoriques conventionnels. Les chercheurs ont découvert qu'avec leur lumière pulsée, Une lumière laser 100 fois moins intense qu'on ne le pensait auparavant est nécessaire pour produire des particules chargées à haute énergie.

"L'utilisation de plusieurs impulsions pour créer une impulsion plus longue chauffe considérablement le plasma d'électrons, ce qui est probablement ce qui fait que les particules chargées atteignent une énergie plus élevée à une intensité laser plus faible, " dit le premier auteur Akifumi Yogo.

Comprendre comment créer des faisceaux de particules chargées plus efficaces est une clé potentielle pour développer une nouvelle génération de faisceaux de particules qui pourraient faire progresser les connaissances en physique et fournir de meilleurs outils de précision dans le domaine médical.