En magnetisk bremse på protonacceleration

Skyd en kraftig laser på et fast stof, og du får en stråle af højenergiprotoner. Langt fra at være en kuriosum, dette fænomen har vigtige anvendelser, såsom i neutrongenerationsforskning. Teoretisk set, jo mere intens laseren, jo hurtigere (med andre ord, mere energisk) de resulterende protoner. Imidlertid, vi ser ud til at have ramt en mur for nylig, med stærkere lasere, der ikke giver det forventede løft i accelerationen.

Problemet opstår, når man forsøger at skubbe protonenergierne ud over omkring 100 mega-elektronvolt. Indtil det punkt, energierne skalerer pænt med laserintensiteterne, tillader en simpel formel at forudsige output fra input. Ved højere intensiteter, selvom, teorien bryder sammen, og overvurderer stråleenergien markant, af årsager, der ikke er fuldt ud forstået. Nu, i en Naturkommunikation undersøgelse, et internationalt hold af videnskabsmænd ledet af Osaka University har afdækket en del af puslespillet.

Protonacceleration er virkelig en sekundær effekt af laserbombardement. I første omgang, laseren udstøder elektroner fra det tynde faste mål. Bevæger sig tæt på lysets hastighed, disse elektroner danner så et kraftigt elektrisk felt, kendt som et kappefelt, og det er dette, der accelererer de nærliggende protoner. Imidlertid, Osaka-forskerne indså, at tidligere teorier overså en afgørende anstødssten:magnetisme.

"Skedet danner effektivt en skråning, og protonerne accelererer gennem denne skråning vinkelret på målet, " forklarer undersøgelsens hovedforfatter Motoaki Nakatsutsumi. "Desværre, elektronerne, der bygger kappen, genererer også en strøm, som giver anledning til et magnetfelt, kaldet et B-felt. Denne magnetisme bringer hele processen i fare ved at fange elektroner på måloverfladen. Mens, protoner afbøjes væk fra kappen."

Selvhæmning forværres gradvist ved højere laserkræfter, skabe B-felter så stærke som 100 mega-gauss. Protonerne bliver derfor mindre energiske og spreder sig vidt, som holdet bekræftede i eksperimenter.

Hjælpet af simuleringer, holdet undersøgte to strategier for at minimere denne effekt. At bemærke, at B-feltet tager lidt tid at nå maksimal styrke, de forestillede sig, at ekstremt korte laserimpulser kunne tillade protonerne at overgå den. Dette virker op til et punkt. Imidlertid, Beregninger viste, at selv pulser hurtigere end 100 femtosekunder ville ikke forhindre magnetisk hæmning, når de mest intense lasere blev brugt.

Deres anden idé var at bruge meget tyndere faste mål end størrelsen af ​​laserpletten, hvilket svækker virkningen af ​​B-felt på elektronbanerne. Desværre, måltykkelsen er begrænset af laserens tidsmæssige profil, så vi er nødt til at øge laserpletstørrelsen, som kræver mere laserenergi, f.eks., dyrere lasersystem.

"Magnetisk hæmning kan være en alvorlig flaskehals for en række partikelaccelerationsmetoder, " Nakatsutsumi forudsiger. "Det er ikke kun lasere - strålingsacceleration kan også blive påvirket. Indtil videre har vi ikke fundet en ligetil løsning. Imidlertid, dette er et innovativt forskningsområde, og jeg er ikke i tvivl om, at forhindringen kan overvindes. Vores indsigt i hæmningsmekanismen vil forhåbentlig være et solidt grundlag for løsningen."