Hidrógeno helado como objetivo
Un nuevo método mejora la aceleración de protones con láser de alta potencia
Acelerar protones con potentes impulsos láser: este concepto, aún joven, promete muchas ventajas sobre los aceleradores convencionales. Por ejemplo, parece posible construir instalaciones mucho más compactas. Sin embargo, los prototipos existentes hasta la fecha, en los que los pulsos láser se disparan contra láminas metálicas ultrafinas, muestran puntos débiles, especialmente en la frecuencia con la que pueden acelerar protones. En el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), un grupo de trabajo internacional ha probado una nueva técnica: En ella, el hidrógeno congelado actúa como "blanco" de los pulsos láser. En el futuro, el método podría servir de base para conceptos avanzados de terapia tumoral, según describe el equipo en la revista Nature Communications.
Esquema del montaje experimental: Disparando un pulso intenso (rojo) del láser de alta potencia HZDR DRACO sobre un chorro de hidrógeno congelado que se repone continuamente (azul), los investigadores lograron acelerar protones de forma masiva a una distancia extremadamente corta (naranja). Registraron el proceso con un pulso de láser óptico sincronizado (verde).
SLAC National Accelerator Laboratory / G. Stewart
Los aceleradores de protones convencionales, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN de Ginebra, se basan en la aceleración de partículas mediante potentes ondas de radiofrecuencia. En la aceleración por láser, en cambio, los pulsos de luz ultrabrillante dan impulso a las partículas: Se disparan pulsos láser extremadamente cortos y potentes a láminas metálicas muy finas. La luz calienta el material hasta tal punto que los electrones son expulsados en grandes cantidades, mientras que los núcleos atómicos pesados permanecen en su lugar. Como los electrones tienen carga negativa y los núcleos atómicos positiva, se forma un fuerte campo eléctrico entre ellos.
Este campo puede entonces lanzar un pulso de protones con enorme fuerza a una distancia de sólo unos micrómetros, llevándolos así a energías para las que se necesitarían sistemas mucho más largos con la tecnología convencional de aceleradores. Otra ventaja: "Con la aceleración láser, podemos empaquetar un enorme número de partículas en un solo manojo de protones", explica el físico Dr. Karl Zeil, del Instituto de Física de la Radiación del HZDR. "Esto podría ser interesante para la radioterapia de tumores".
Sin embargo, el método anterior de disparar pulsos láser a láminas metálicas presenta inconvenientes. En primer lugar, es difícil generar varios pulsos de protones por segundo; la lámina ya se destruye con un solo disparo láser y, por tanto, hay que cambiarla una y otra vez. En segundo lugar, el proceso de aceleración es bastante complejo y relativamente difícil de controlar. La razón: Los protones que hay que acelerar proceden de hidrocarburos que se han acumulado en las láminas metálicas como una capa de contaminantes - no es exactamente lo ideal para un control perfecto del experimento.
Filamento en lugar de lámina
Por ello, el equipo de investigación germano-estadounidense en torno a Karl Zeil ideó una alternativa: "En lugar de una lámina metálica, utilizamos un fino chorro de hidrógeno fuertemente refrigerado", describe el investigador. "Este chorro sirve de blanco para nuestros pulsos láser de alta intensidad". En concreto, los expertos enfrían el gas hidrógeno en un bloque de cobre hasta tal punto que se vuelve líquido. A continuación, el hidrógeno líquido fluye a través de una boquilla hacia una cámara de vacío. Así se enfría aún más y se solidifica en un filamento micrométrico: el objetivo de los pulsos láser. Y como el filamento de hidrógeno se renueva, el láser tiene un blanco nuevo e intacto a la vista en cada disparo.
Otra ventaja es que la configuración permite un mecanismo de aceleración más favorable: en lugar de limitarse a calentar el material, los pulsos láser utilizan la presión de la radiación para expulsar los electrones del hidrógeno y crear los campos eléctricos extremos necesarios para acelerar los protones. El equipo pudo optimizar el proceso enviando un pulso de luz corto y más débil antes del pulso láser principal. Esto precalentó el filamento de hidrógeno congelado, haciendo que se expandiera y su sección transversal creciera de cinco micrómetros a varias veces ese tamaño. Esto permitió aumentar la distancia de aceleración y optimizar el proceso.
Perspectivas para la terapia de tumores
El resultado: "Pudimos llevar protones hasta una energía de 80 MeV", informa Karl Zeil. "Esto se acerca al récord anterior de aceleración láser de protones. Pero a diferencia de las instalaciones anteriores, nuestra técnica tiene el potencial de generar múltiples haces de protones por segundo". Además, el proceso de aceleración es comparativamente fácil de simular para objetivos de hidrógeno utilizando computación de alto rendimiento, una tarea en la que también participó el Centro para la Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) del HZDR. "Esto nos permite comprender mejor y optimizar la interacción entre el láser y la materia", explica Zeil. Ahora los expertos quieren utilizar algoritmos de IA para aumentar la "tasa de acierto" entre los pulsos láser y el chorro de hidrógeno congelado.
La tecnología podría ser interesante para un futuro tipo de radioterapia. En la actualidad ya se irradian con éxito algunos tumores con protones. La aceleración láser podría aumentar la dosis y acortar así el tiempo de irradiación. Y, como sugiere un estudio de la HZDR, esto podría proteger mejor el tejido sano que rodea al tumor.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
M. Rehwald, S. Assenbaum, C. Bernert, F. Brack, M. Bussmann, T. Cowan, C. Curry, F. Fiuza, M. Garten, L. Gaus, M. Gauthier, S. Göde, I. Göthel, S. Glenzer, L. Huang, A. Huebl, J. Kim, T. Kluge, S. Kraft, F. Kroll, J. Metzkes-Ng, et al.: "Ultra-short pulse laser acceleration of protons to 80 MeV from cryogenic hydrogen jets tailored to near-critical density", Nature Communications, 2023.
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