Onderzoekers van de Zweedse Chalmers University of Technology en de University of Gotenburg presenteren een nieuwe methode die de energie kan verdubbelen van een protonenbundel die wordt geproduceerd door op laser gebaseerde deeltjesversnellers. De doorbraak zou kunnen leiden tot compactere, goedkopere apparatuur die voor veel toepassingen nuttig kan zijn, inclusief protonentherapie.

Protontherapie omvat het afvuren van een bundel versnelde protonen op kankergezwellen, ze doden door bestraling. Maar de benodigde apparatuur is zo groot en duur dat deze slechts op een paar locaties wereldwijd bestaat.

Moderne krachtige lasers bieden het potentieel om de grootte en kosten van de apparatuur te verminderen, omdat ze deeltjes over een veel kortere afstand kunnen versnellen dan traditionele versnellers, waardoor de benodigde afstand van kilometers tot meters wordt verkleind. Het probleem is, ondanks inspanningen van onderzoekers over de hele wereld, lasergegenereerde protonenbundels zijn momenteel niet energetisch genoeg. Maar nu, de Zweedse onderzoekers presenteren een nieuwe methode die een verdubbeling van de energie oplevert - een grote sprong voorwaarts.

De standaardbenadering omvat het afvuren van een laserpuls op een dunne metaalfolie, waarbij de interactie resulteert in een bundel van sterk geladen protonen. De nieuwe methode houdt in dat de laser eerst wordt gesplitst in twee minder intense pulsen, alvorens beide tegelijk vanuit twee verschillende hoeken op de folie te schieten. Wanneer de twee pulsen op de folie botsen, de resulterende elektromagnetische velden verwarmen de folie uiterst efficiënt. De techniek resulteert in protonen met hogere energie terwijl dezelfde initiële laserenergie wordt gebruikt als de standaardbenadering.

"Dit heeft nog beter gewerkt dan we hadden durven hopen. Het doel is om de energieniveaus te bereiken die tegenwoordig in de protonentherapie worden gebruikt. In de toekomst is het misschien mogelijk om compactere apparatuur te bouwen, slechts een tiende van de huidige grootte, zodat een normaal ziekenhuis hun patiënten protonentherapie zou kunnen aanbieden, " zegt Julien Ferri, een onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers, en een van de wetenschappers achter de ontdekking.

Het unieke voordeel van protontherapie is de precisie bij het richten op kankercellen, ze te doden zonder gezonde cellen of organen in de buurt te verwonden. De methode is daarom cruciaal voor de behandeling van diepgewortelde tumoren, gelegen in de hersenen of de wervelkolom, bijvoorbeeld. Hoe hoger de energie van de protonenbundel, hoe verder in het lichaam het kan doordringen om kankercellen te bestrijden.

Hoewel de prestatie van de onderzoekers bij het verdubbelen van de energie van de protonenbundels een grote doorbraak betekent, het einddoel is nog ver weg.

"We moeten tot 10 keer het huidige energieniveau bereiken om echt dieper in het lichaam te mikken. Een van mijn ambities is om meer mensen toegang te geven tot protonentherapie. Misschien ligt dat 30 jaar in de toekomst, maar elke stap vooruit is belangrijk, " zegt Tünde Fülöp, Professor bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers.

Versnelde protonen zijn niet alleen interessant voor de behandeling van kanker. Ze kunnen worden gebruikt om verschillende materialen te onderzoeken en te analyseren, en om radioactief materiaal minder schadelijk te maken. Ze zijn ook belangrijk voor de ruimtevaartindustrie. Energetische protonen vormen een groot deel van de kosmische straling, die satellieten en andere ruimteapparatuur beschadigt. Door energetische protonen in het laboratorium te produceren, kunnen onderzoekers bestuderen hoe dergelijke schade ontstaat, en om nieuwe materialen te ontwikkelen die beter bestand zijn tegen de stress van de ruimtevaart.

Samen met onderzoekscollega Evangelos Siminos van de Universiteit van Göteborg, Chalmers-onderzoekers Julian Ferri en Tünde Fülöp gebruikten numerieke simulaties om de haalbaarheid van de methode aan te tonen. Hun volgende stap is om experimenten uit te voeren in samenwerking met Lund University.

"We kijken nu naar verschillende manieren om het energieniveau in de protonenstralen verder te verhogen. Stel je voor dat je al het zonlicht dat op een bepaald moment op de aarde valt, op een enkele zandkorrel zou concentreren - dat zou nog steeds minder zijn dan de intensiteit van de laserstralen waarmee we werken. De uitdaging is om nog meer laserenergie aan de protonen te leveren." zegt Tünde Fülöp.

De nieuwe wetenschappelijke resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Communicatie Fysica , deel van de Natuur familie.