Se riusciremo a produrre raggi gamma coerenti proprio come un normale laser produce raggi coerenti di luce visibile, avremmo una tecnologia in grado di potrebbe sbloccare i viaggi interstellari, lanciare razzi e rivoluzionare la cura dei tumori.
Un laser con queste caratteristiche (noto anche come “graser”) è, però, ancora concettuale, ed è considerato uno dei problemi più importanti della fisica.
Produrre raggi gamma
L’ingegnere aerospaziale Ugen Sangër ha ipotizzato negli anni ’50 che se la materia potesse essere completamente convertita in particelle di luce (chiamate fotoni), i fotoni stessi potrebbero essere una fonte di energia per spingere un razzo a velocità intergalattiche.
Mentre dava per scontato che un razzo a fotoni potesse essere solo materiale di fantascienza, il seme della sua idea ha continuato a mettere radici. Per creare il laser definitivo, diversi team di ricerca stanno perseguendo una tecnologia che potrebbe mantenere i raggi gamma coerenti, la forma di luce più energetica nel nostro Universo.
Invisibili ai nostri occhi, i raggi gamma vengono emanati dalle esplosioni di supernova e dagli oggetti più caldi e densi di energia del Cosmo, come le pulsar, quelle stelle di neutroni altamente magnetizzate che emettono impulsi di radiazione.
Viaggiano attraverso il vuoto dello Spazio alla velocità della luce, con lunghezze d’onda così minuscole che possono attraversare lo Spazio all’interno degli atomi di un rilevatore. Con le lunghezze d’onda più piccole e la frequenza più rapida, cadono su un’estremità dello spettro elettromagnetico.
Laser a raggi X coerenti
I visionari hanno cercato di spingere la tecnologia laser fino ai confini più remoti dello spettro elettromagnetico sin dall’invenzione del primo laser nel 1961. Lungo il cammino, gli scienziati hanno imparato come stabilizzare i raggi gamma in un fascio coerente, un passo necessario verso lo sviluppo di qualsiasi tecnologia laser.
Un laser tradizionale eccita gli elettroni in un gas, liquido o solido per emettere radiazioni coerenti. In altre parole, le emissioni di fotoni sono sincronizzate tra loro, come soldati che marciano al passo, generando un effetto più forte in combinazione.
Questo è diverso dalla luce emessa da una lampadina a incandescenza, perché la sua radiazione è incoerente o casuale, a seconda di quali atomi sono eccitati in un dato momento. Per realizzare questa danza con fotoni di livello gamma, gli scienziati devono manipolare un numero enorme di nuclei atomici in stati deformati ed eccitati noti come isomeri.
Andare oltre l’attuale tecnologia laser, che include laser a raggi X coerenti, proprio accanto ai raggi gamma nello spettro elettromagnetico, significa che gli scienziati devono indagare cosa accade quando densi gruppi di elettroni veloci si scontrano con un forte campo laser per emettere luce ad alta energia. È quello che stanno facendo i ricercatori dell’Università di Rochester in collaborazione con i colleghi di ELI Beamlines, un centro di ricerca laser nella Repubblica Ceca.
“La capacità di produrre raggi gamma coerenti rappresenterebbe una rivoluzione scientifica nella creazione di nuovi tipi di sorgenti luminose, simile a come la scoperta e lo sviluppo di sorgenti di luce visibile e raggi X hanno cambiato la nostra comprensione fondamentale del mondo atomico“, ha affermato Antonino Di Piazza, Professore di fisica presso l’Università di Rochester e ricercatore principale del nuovo lavoro.
Il primo passo verso la costruzione di un laser funzionante è dimostrare che la scienza funziona: “Non siamo i primi scienziati che hanno provato a creare raggi gamma in questo modo. Ma lo stiamo facendo utilizzando una teoria completamente quantistica, l’elettrodinamica quantistica, che è un approccio avanzato per affrontare questo problema“.
Il team analizzerà il modo in cui uno o due elettroni emettono luce. Alla fine, sperano di lavorare con molti elettroni per produrre raggi gamma coerenti. Se il team impara a mantenere il fascio coerente e stabile per lunghi periodi di tempo, i raggi gamma potrebbero diventare una nuova fonte di energia per creare antimateria (come la materia, ma con carica elettrica opposta). Potrebbero anche fornire un nuovo modo per studiare i processi nucleari e scansionare l’interno di oggetti densi come i container.
Conclusioni
È complicato, ma il processo inizierebbe con protoni e antiprotoni che si annichilano a vicenda, generando un’enorme ondata di raggi gamma. Successivamente, un raggio laser focalizzato di raggi gamma concentrati verrebbe lanciato all’interno della navicella spaziale, creando una “valanga di fotoni”. Un campo magnetico che circonda questo processo assorbirebbe l’impulso di rinculo del raggio e lo trasmetterebbe alla navicella spaziale, fornendo l’intero impulso della navicella spaziale.
Mentre i ricercatori hanno indicato che questo scenario potrebbe inizialmente funzionare meglio con veicoli spaziali più piccoli, altri team in Svezia e Islanda sono andati oltre con il loro studio per la propulsione dei razzi nel 2020, suggerendo modi per utilizzare l’idrogeno come combustibile per generare l’energia necessaria anche per razzi più grandi.
Naturalmente, prima di poter salire a bordo dei nostri razzi alimentati a raggi gamma per esplorare la galassia vicina, gli scienziati devono superare il problema della coerenza del fascio.
