Een in Japan gevestigd onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Osaka toonde meerdere scherpe, ultrakorte laserpulsen die nieuwe soorten protonenstraalsystemen beloven die mogelijk nuttig kunnen zijn in gebieden zoals de behandeling van kanker. Door de pulsen te combineren om effectief langere pulsen te creëren, hoogenergetische geladen deeltjes kunnen worden geproduceerd met laserintensiteiten die 100 keer minder zijn dan voorspeld door eerdere theoretische modellen. Deze bevindingen geven inzicht in de constructie van efficiëntere straalfaciliteiten.

Stralen van geladen deeltjes zoals protonen worden gebruikt om fundamentele natuurkundige vragen te beantwoorden en hebben praktische toepassingen in zowel kankertherapie als fusiekracht. Een manier om de geladen deeltjes voor dergelijke stralen te genereren, was door krachtige lasers te richten op metaalfolies die dunner zijn dan een mensenhaar. Het metaal laat dan geladen deeltjes los. Huidige processen gebruiken folies die 100 keer dunner zijn dan een mensenhaar - op deze manier kan laserlicht met hoge intensiteit de elektronen die het raakt tot bijna lichtsnelheden drijven.

Onderzoekers hebben tot nu toe alleen zeer korte uitbarstingen van laserlicht gebruikt, elk duurt slechts een picoseconde. Bij gebruik van de pulsen, ze proberen de hoeveelheid achtergrondlicht te minimaliseren om scherpe (d.w.z. hoog contrast) lichtpulsen. Het doel is om de energie van de geladen deeltjes te verhogen en stralen te krijgen waarin de deeltjes allemaal zeer vergelijkbare energieën hebben. Hogere energiebundels waarin de energie van elk deeltje precies bekend is, zijn nuttiger, zowel in onderzoek als in de geneeskunde. Hoewel gepulseerde lasers veelbelovend zijn op dit gebied, tot voor kort, het effect van scherpe laserpulsen langer dan een picoseconde waren onbekend.

Nutsvoorzieningen, een in Japan gevestigd onderzoeksteam, gecentreerd aan de universiteit van Osaka, heeft een meer gedetailleerde studie uitgevoerd naar het gebruik van dergelijke laserpulsen. Ze gebruikten scherpe, ultrakorte pulsen van laserlicht van de Laser for Fast Ignition Experiments (LFEX) aan de Osaka University. LFEX is een van 's werelds krachtigste lasers. De studie van het team is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Wetenschappelijke rapporten .

LFEX heeft vier extreem krachtige laserstralen. De onderzoekers gebruikten spiegels om het laserlicht te focussen tot een punt ter grootte van een stofdeeltje. Dit licht werd gericht op een ultradun stuk aluminiumfolie om een ​​wolk van geladen deeltjes te genereren, plasma genoemd. Elke laserstraal is 1018 keer intenser dan zonlicht. Over het algemeen kan zo'n intense kracht slechts voor een zeer korte periode worden opgewekt; een uitdaging die ten grondslag ligt aan de reden waarom scherpe laserpulsen langer dan één picoseconde nog niet waren onderzocht.

"Door het afvuren van de vier stralen zorgvuldig te timen, was het voor ons mogelijk om elk in volgorde effectief af te vuren om langere pulsen te genereren die anders dezelfde scherpe kenmerken hadden als enkele pulsen, " zegt co-auteur Hiroshi Azechi.

De resultaten dagen conventionele theoretische modellen uit. De onderzoekers ontdekten dat met hun gepulseerde licht, 100 keer minder intens laserlicht dan eerder werd gedacht, is nodig om hoogenergetische geladen deeltjes te produceren.

"Het gebruik van meerdere pulsen om één langere puls te creëren, verwarmt het elektronenplasma aanzienlijk, wat er waarschijnlijk voor zorgt dat de geladen deeltjes een hogere energie bereiken bij een lagere laserintensiteit, " zegt eerste auteur Akifumi Yogo.

Inzicht in het creëren van efficiëntere geladen deeltjesbundels is een potentiële sleutel tot de ontwikkeling van een nieuwe generatie deeltjesbundels die de kennis van de natuurkunde kunnen vergroten en betere precisie-instrumenten op medisch gebied kunnen bieden.