MAP - Magazine Alumni Politecnico di Milano #5

IL LASER CHE METTE
IL TURBO ALLE PARTICELLE
ENSURE | EXPLORING THE NEW SCIENCE AND ENGINEERING UNVEILED BY ULTRAINTENSE
ULTRASHORT RADIATION INTERACTION WITH MATTER
#Laser #Particelle #Materiali
#NanoTecnologie #Energia #Plasmi
2015 - 2020 1.887.500 € 15 persone
MATTEO PASSONI
A
Professore ordinario
di Fisica della Materia
Vicepreside della Scuola
di Ingegneria Industriale
e dell'Informazione
Coordinatore del Corso
di studi in Ingegneria Nucleare
Dipartimento di Energia
Alumnus Ing. Nucleare e PhD
I fasci di particelle ad alta energia vengono
utilizzati per la ricerca fondamentale
ma hanno anche diversi campi di
applicazione: ad esempio vengono usati
nelle terapie per la cura dei tumori, in
alcune tecniche di medicina diagnostica
o nella produzione di semiconduttori. Si
ottengono all’interno di acceleratori come
i linac, i ciclotroni o i sincrotroni, che
sollecitano le particelle cariche (elettroni,
protoni o altri tipi di ioni) con un campo
elettrico all’interno di grandi camere
a vuoto spinto. Questi metodi consentono
la produzione di particelle con energie
molto elevate: ad esempio, nel caso
dei protoni, un sincrotrone come quello
di cui parliamo a pagina 34, che ha una
circonferenza di circa 80 m, può generare
particelle con energia fino a qualche
centinaio di MeV, mentre l’LHC, con
una circonferenza di 27 km, può accelerare
particelle alle massime energie ottenute
in laboratorio, fino a 10 TeV. Tuttavia
queste tecniche di accelerazione
presentano alcuni importanti limiti, legati
ai costi e alle dimensioni che queste
strutture richiedono. Passoni e il team di
ENSURE stanno studiando un nuovo metodo
di accelerazione di protoni e ioni,
con lo scopo di arrivare alla realizzazione
un prototipo di acceleratore compatto.
Sfrutta l’interazione tra un impulso laser
di elevatissima potenza e brevissima
durata (fino a 10 20 W/cm 2 in poche decine
di femtosecondi) e un particolare tipo di
nanoschiuma, ideata e sviluppata dal team,
con la proprietà di avere una densità
intermedia tra quella di un solido
e quella di un gas. Quando viene colpita
dal laser, la nanoschiuma si porta allo
stato di plasma ed è capace di ottimizzare
l’assorbimento dell’impulso e trasmetterlo
nel modo più efficiente ad un
materiale target. Questo processo determina
una efficace separazione degli elettroni
dal materiale del target, in modo
da generare i più elevati campi elettrici
mai ottenuti in un laboratorio (nell’ordine
dei TV/m), in grado di imprimere alle
particelle enormi accelerazioni in distanze
molto brevi (pochi micron). Le particelle
così ottenute hanno alcune importanti
caratteristiche diverse da quelle
accelerate con metodi tradizionali. Ad
esempio, è diverso lo spettro energetico
che si ottiene con questo tipo di acceleratore
e le massime energie raggiungibili
sono al momento nell’ordine della decina
di MeV. È inoltre complicato ottenere
fasci di particelle: ad oggi, il meccanismo
studiato in ENSURE produce singoli
“pacchetti” di protoni e un fascio potrà
essere ottenuto sviluppando opportune
tecniche di movimentazione del target e
sfruttando sistemi laser ad alto tasso di
ripetizione degli impulsi. Tuttavia, l’efficienza
del processo di accelerazione e la
compattezza dello strumento progettato
rendono questo sistema molto promettente:
un acceleratore “tascabile” come
quello ipotizzato da ENSURE potrebbe
stare comodamente in una stanza di poche
decine di m 2 . Possibili applicazioni a
breve termine (nell’arco di 5 anni) riguardano,
ad esempio, il campo della diagnostica
non distruttiva dei materiali, di
interesse in molti settori, dall’alta tecnologia
fino a quello dei beni culturali. Il team
si sta preparando a una prova sperimentale
delle tecnologie sviluppate, che
verranno testate nel 2019.
www.ensure.polimi.it
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