Aceleração de partículas a laser e suas aplicações

Resumo

O campo de rápido crescimento da técnica de aceleração de partículas usando lasers se encontra num crescendo devido aos enormes esforços mundiais no aumento da potência de pico dos sistemas existentes, levando a tecnologia laser a um novo patamar, acompanhado pelo aumento da potência média que é necessária para aplicações práticas. Um dos exemplos mais simbólicos é a nova infraestrutura de pesquisa na Europa, denominada de Infraestrutura Extrema de Luz (ELI), com a criação de três laboratórios de pesquisa dedicados a hospedar os lasers mais intensos em todo o mundo (Potência de pico superior a PW). Além da física básica que está sendo trazida à luz devido a esses novos regimes, várias aplicações são muito promissoras com esses sistemas, e uma destas é objetivo deste programa, a aceleração de partículas carregadas. Quando pulsos laser de alta intensidade atingem um alvo, seus átomos são ionizados e os elétrons interagem com o campo eletromagnético do laser, sendo acelerados diretamente pelo campo luminoso (força de Lorentz ou força ponderomotiva). Os elétrons e os íons são separados e um plasma é formado. Para alvos sólidos e finos, o pulso passa pelo material seguido por uma nuvem de elétrons (bainha) que viaja a uma velocidade relativística. Os íons restantes no alvo são atraídos pelos elétrons e repelidos por entre si, produzindo um feixe de prótons e uma corrente de hadrons. Essa técnica é usada em sistemas de PW para produzir feixes de prótons de 100 MeV. Outro poderoso método de aceleração de elétrons é o Laser Wakefield Plasma Acceleration (LWPA), baseado na ideia de produzir um campo elétrico longitudinal no plasma para impulsionar os elétrons. A implementação desta ideia já produziu elétrons de 4,2 GeV em um comprimento de 10 cm. Isso foi realizado após o entendimento de que é possível produzir uma onda de plasma não-linear que é ressonante com a duração e a energia do pulso do laser, com sincronia nas direções longitudinal e transversal. Esta condição exige uma potência de pico muito alta do laser para ter a intensidade necessária no foco com um diâmetro de dezenas de micrometros. Os alvos são sistemas de gás com densidades na faixa de 10^18-10^21 átomos/cm^3 que correspondem à pressões de gás de uma fração a dezenas de bar. O requisito adicional é uma baixa pressão ao redor do jato de gás para evitar a formação de plasma antes do alvo, com uma camada de transição mínima. Este requisito impõe condições especiais de vácuo e fontes de gás pulsado. Recentemente, um plasma de alta densidade criado por um laser de taxa de repetição de kHz no regime de TW produziu aceleração de prótons para poucos MeV em alvos líquidos de alta densidade. O objetivo deste projeto é colaborar na compreensão e estabelecimento desses novos regimes de aceleração de partículas para fins médicos. (AU)