Fisica da banco: il record di otto ore a Berkeley avvicina l'era degli acceleratori accessibili

Per lungo tempo gli acceleratori di particelle sono rimasti un’esclusiva dei grandi laboratori nazionali. Per spingere gli elettroni alle velocità richieste, ai fisici servono tunnel chilometrici e budget paragonabili al PIL di piccoli Stati. Ma cosa accadrebbe se un potente strumento per l’indagine della materia potesse trovare posto in un normale laboratorio universitario?

Gli esperti del centro BELLA presso il Berkeley Lab sono ormai a un passo dal rendere questa prospettiva realtà. Hanno presentato un acceleratore laser-plasma (LPA) capace di mantenere la stabilità operativa per otto ore consecutive. Per questo tipo di tecnologia, un simile risultato rappresenta un progresso colossale. In passato, impianti del genere somigliavano a volubili auto da corsa: raggiungevano prestazioni da record, ma subivano guasti o richiedevano regolazioni manuali ogni dieci o quindici minuti.

Qual è il segreto di tale affidabilità? I ricercatori hanno implementato un sistema di feedback attivo. Algoritmi informatici analizzano ogni secondo decine di parametri del fascio laser e del plasma, apportando correzioni microscopiche. Ciò ha trasformato un esperimento scientifico in uno strumento di precisione affidabile.

Perché tutto questo è importante per noi? Su questi acceleratori si basano i laser a elettroni liberi (FEL). Essi generano radiazioni a raggi X di una luminosità incredibile, permettendo letteralmente di girare dei "film" sul movimento delle molecole durante le reazioni chimiche o su come i virus penetrano nelle cellule.

Oggi, per condurre una simile ricerca, uno scienziato deve presentare domanda con un anno di anticipo e viaggiare dall'altra parte del mondo verso l'unico sincrotrone del continente. Domani — e non è più fantascienza — una tale diagnostica potrebbe diventare accessibile nei grandi centri medici o nelle linee di produzione di microchip ad alta tecnologia.

Siamo pronti per un mondo in cui la fisica fondamentale smetterà di essere "proibitivamente costosa" per diventare uno strumento applicativo nelle mani degli ingegneri? Probabilmente, questa transizione cambierà la velocità di sviluppo di nuovi farmaci e materiali più di quanto possiamo immaginare ora. È il percorso verso la democratizzazione della grande scienza.

La fisica delle alte energie è ufficialmente uscita dai confini dei tunnel mastodontici. Il gruppo di ricerca del Centro BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator) ha dimostrato che un acceleratore laser-plasma compatto può operare con l'affidabilità di un'apparecchiatura industriale. Nel corso dell'esperimento, l'impianto ha mantenuto un'emissione stabile per 8 ore, un traguardo precedentemente ritenuto fisicamente impossibile per i sistemi "da tavolo" a causa dell'estrema sensibilità delle onde di plasma alle minime fluttuazioni ambientali.

Gli acceleratori di particelle tradizionali, come l'LHC o l'LCLS-II, costano miliardi di dollari e occupano aree chilometriche. La tecnologia LPA-FEL utilizza un potente laser per creare un'"onda di scia" nel plasma sulla quale gli elettroni fanno "surf", acquisendo un'energia enorme in una distanza di pochi centimetri. Tuttavia, fino ad oggi, tali sistemi ricordavano prototipi instabili: fornivano un impulso potente, ma smettevano presto di funzionare a causa dell'espansione termica e del degrado delle ottiche.

Perché è importante e come avvicinerà le sorgenti di raggi X "da tavolo"

I tradizionali sincrotroni e gli XFEL (laser a raggi X a elettroni liberi) sono strutture mastodontiche lunghe centinaia di metri o chilometri (ad esempio, l'European XFEL misura 3,4 km). Hanno costi di centinaia di milioni di dollari e sono accessibili solo ai grandi centri nazionali.

L'**acceleratore laser-plasma** riduce la fase di accelerazione da chilometri a **millimetri o centimetri**. Se l'energia degli elettroni dovesse raggiungere circa 500 MeV (prossimo obiettivo del team), la lunghezza d'onda della radiazione scenderebbe a **20-30 nm** (UV estremo / raggi X molli). In prospettiva, si potrebbe arrivare anche ai raggi X duri.

Un LPA-FEL compatto potrebbe diventare una sorgente "da tavolo" o da laboratorio di impulsi di raggi X ultracorti, brillanti e coerenti. Ciò aprirebbe l'accesso a:

• Università e piccoli laboratori (per "film molecolari", studio della dinamica delle reazioni chimiche, biologia, scienza dei materiali).
• Industria (controllo qualità dei semiconduttori, nanotecnologie).
• Medicina e sicurezza.

Certamente, i laser ad alta potenza sono ancora costosi, ma l'intero impianto risulterà molto più piccolo ed economico rispetto ai giganti attuali. Gli LPA potrebbero anche servire come iniettori di alta qualità per i grandi XFEL esistenti, aumentandone le prestazioni.

Si tratta di un passo molto significativo dal "giocattolo da laboratorio" alla tecnologia reale. Il team sta già raccogliendo dati per migliorare ulteriormente stabilità e luminosità. Se la fase successiva (500 MeV e raggi X molli) avrà successo con la stessa sicurezza, potrebbe rappresentare una vera rivoluzione nell'accessibilità a potenti sorgenti luminose.