Dall’invenzione del laser negli anni ’60, gli scienziati si sono impegnati per aumentarne la potenza di picco e sviluppare dispositivi che emettono luce coerente a lunghezze d’onda sempre più corte. Questi progressi mirano a migliorare la risoluzione delle immagini e a facilitare l’esplorazione degli stati nucleari quantistici.
Verso il laser gamma: una nuova frontiera
Nel corso degli anni sono stati fatti progressi per quanto riguarda la potenza di picco, in particolare con l’invenzione dell’amplificazione a impulsi chirped da parte dei ricercatori dell’Università di Rochester negli anni ’80, una svolta che è valsa il premio Nobel per la fisica nel 2018.
Lo sviluppo di laser che producono luce ad altissima energia, come i raggi gamma, tuttavia, è rimasto sfuggente. Questo è in parte dovuto al fatto che le onde luminose “coerenti” sono sincronizzate tra loro, creando un effetto più forte in combinazione.
Questo effetto è più difficile da ottenere a energie di fotoni più elevate. E mentre i laser possono ora produrre luce coerente nelle gamme visibile, ultravioletta e dei raggi X dello spettro elettromagnetico, farlo oltre la gamma dei raggi X, che è dove esistono i raggi gamma, rimane una sfida.
Per superare questo ostacolo, i ricercatori di Rochester hanno ottenuto finanziamenti dalla National Science Foundation (NSF) in collaborazione con i colleghi di ELI Beamlines nella Repubblica Ceca per studiare le proprietà di coerenza della radiazione emessa quando densi gruppi di elettroni si scontrano con un forte campo laser.
Nel fare questo, i ricercatori mirano a capire come produrre raggi gamma coerenti e utilizzare queste nuove fonti di radiazione per la ricerca e le applicazioni per creare antimateria, studiare i processi nucleari e creare immagini di oggetti o materiali densi, come la scansione di container per la spedizione.
USA e Repubblica Ceca: un passo verso il laser gamma
Antonino Di Piazza, professore di fisica presso l’Università di Rochester e illustre scienziato presso il Laboratorio di energetica laser dell’Università, che è il ricercatore principale del finanziamento NSF, ha dichiarato: “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”.
I collegamenti tra Stati Uniti ed Europa hanno facilitato i progressi della scienza laser.
Il progetto unisce le competenze teoriche degli scienziati di Rochester con le capacità teoriche e sperimentali di ELI Beamlines nella Repubblica Ceca, rafforzando i legami tra Stati Uniti ed Europa nel campo dei laser ad alta intensità.
Gli scienziati utilizzeranno teorie complesse ed esperimenti ad alta tecnologia per studiare come gli elettroni in rapido movimento interagiscono con il laser per emettere luce ad alta energia.
Essi inizieranno esaminando casi più semplici, come il modo in cui uno o due elettroni emettono luce, prima di passare a scenari più complicati con molti elettroni, per produrre raggi gamma coerenti. Tale risultato si basa sul lavoro di scienziati che hanno creato raggi X coerenti, tra cui i team di SLAC National Accelerator Laboratory, European XFEL e SACLA.
Un nuovo approccio quantistico per i laser gamma
Di Piazza ha spiegato: “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. Se avrà successo, questo progetto potrebbe portare alla creazione di un laser elettronico privo di raggi gamma, un obiettivo importante nella comunità scientifica”.
Questo lavoro contribuirà anche a far progredire il caso scientifico per una potenziale futura struttura per utenti laser ad alta potenza NSF OPAL presso l’Università di Rochester, un altro progetto finanziato da NSF in cui Di Piazza è un co-ricercatore principale e che ha il potenziale per essere una risorsa unica ad accesso aperto per la comunità scientifica globale.
NSF OPAL fa parte di NSF X-lite, una rete internazionale di reti che studiano la luce estrema in intensità, tempo e spazio formata per affrontare le grandi sfide definite alle frontiere delle interazioni coerenti laser-materia alle distanze più brevi, alle intensità più elevate e nei tempi più rapidi.
