En collaboration avec leurs collègues d'Allemagne et de République tchèque, des chercheurs de l'Institut des technologies laser et plasma de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI (Russie) ont mis au point une nouvelle méthode pour générer des champs électriques quasistatiques super puissants qui entraînent l'accélération des ions dans le plasma laser.

Cette recherche est d'une grande importance en médecine, en particulier pour la thérapie par faisceau de protons, un traitement moderne du cancer. Le document a été publié en Rapports scientifiques .

Il existe trois grandes méthodes de traitement du cancer :l'intervention chirurgicale, chimiothérapie et radiothérapie (radiothérapie). La radiothérapie est basée sur l'application de rayonnements ionisants, ce qui est préjudiciable à la fois à la tumeur et aux tissus sains qui l'entourent. Cela impose certaines limitations sur la puissance des faisceaux de rayons gamma, qui sont utilisés en radiothérapie.

C'est pourquoi il est préférable d'utiliser des protons. En raison de la masse relativement importante des protons, le faisceau reste focalisé, permettant aux scientifiques de cibler avec précision les tumeurs sans endommager les tissus sains qui les entourent.

Cependant, générer un faisceau de protons nécessite un accélérateur de particules, qui est un équipement très coûteux pesant plusieurs tonnes. Par exemple, l'accélérateur synchrocyclotron utilisé au centre thérapeutique d'Orsay, La France, pèse au total 900 tonnes. C'est pourquoi de nombreuses universités mondiales travaillent actuellement au développement de méthodes alternatives pour générer des faisceaux de particules chargées ultrarapides. L'un d'eux est basé sur les accélérateurs de faisceau laser.

Les accélérateurs de faisceau laser sont nettement moins chers et plus compacts que les cyclotrons et les synchrotrons conventionnels, mais la qualité des faisceaux obtenus avec leur aide n'est pas suffisante pour la plupart des applications pratiques en raison de la large gamme d'énergie des protons et de la puissance insuffisante. Aujourd'hui, les chercheurs rivalisent pour développer de nouvelles méthodes d'accélération laser :l'obtention d'un faisceau de protons d'une puissance de 100 à 200 MeV et d'une plage d'énergie ne dépassant pas quelques pour cent ouvrirait une nouvelle ère en médecine laser.

Selon les chercheurs du MEPhI, la théorie qu'ils ont développée peut aider à conduire à de nouvelles méthodes d'accélération laser. « Dans nos recherches, nous avons prédit en théorie et démontré, à l'aide de la modélisation numérique, un effet en apparence paradoxal :l'effet que la force de réaction du rayonnement a sur les particules chargées, qui émettent des ondes électromagnétiques, peuvent contribuer à leur accélération, " a déclaré Evgueni Gelfer, professeur assistant au département de physique nucléaire théorique du MEPhI et chercheur scientifique à l'Institut des lignes de lumière Extreme Light Infrastructure en République tchèque.

Dans les systèmes mécaniques ordinaires, les forces de frottement conduisent toujours à la perte d'énergie cinétique et à l'atténuation du mouvement organisé. La force de réaction du rayonnement, cependant, agit différemment - il survient à la suite d'un transfert d'énergie dans le champ externe (dans ce cas, le champ laser). Ce transfert d'énergie est effectué par des électrons. Au cours du processus de transfert d'énergie d'un réservoir à un autre, les électrons peuvent ralentir et accélérer.

"Nous avons étudié la propagation d'impulsions laser superfortes dans le plasma, " a déclaré Gelfer. " Dans les champs électromagnétiques avec une intensité de plusieurs PW et plus (1 PW équivaut à 1015 W; la capacité de la plus grande centrale électrique du monde est de 22, 500 MW, qui est d'environ 50, 000 fois moins), les électrons émettent un rayonnement si intense que leur mouvement est défini non seulement par la force de Lorentz, mais aussi par la force de réaction du rayonnement, qui survient à la suite du recul du rayonnement. En réalité, cette dernière peut même dépasser la force de Lorentz. Nous avons prouvé que notre ralentissement des électrons à l'aide du frottement du rayonnement dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau laser augmente la vitesse de leur déplacement, contribuant ainsi à une séparation plus efficace des charges dans le plasma et à une amplification du champ électrique longitudinal formé. Ce champ provoque l'accélération des ions, c'est pourquoi nos découvertes peuvent contribuer au développement de nouvelles façons d'obtenir des faisceaux d'ions de haute qualité."