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L’osservazione diretta di onde plasmatiche altamente non lineari

L'osservazione diretta di onde plasmatiche altamente non lineari

L’onda del plasma altamente non lineare (colorata in verde), guidata da un intenso impulso laser, raggiunge il punto di rottura dell’onda, dove una frazione degli elettroni del plasma (colorata in rosso) viene intrappolata e accelerata dal wakefield. Crediti fotografici: Igor Andriyash, Yang Wan e Victor Malka.

Negli ultimi decenni, fisici e ingegneri hanno tentato di sviluppare acceleratori laser-plasma sempre più compatti, una tecnologia per studiare le interazioni materia-particella create dalle interazioni tra raggi laser ultraveloci e plasma. Questi sistemi sono un’alternativa promettente alle grandi macchine esistenti basate su segnali a radiofrequenza, poiché possono essere molto più efficienti nell’accelerare le particelle cariche.

Sebbene gli acceleratori laser plasma non siano ancora ampiamente utilizzati, diversi studi ne hanno evidenziato il valore e il potenziale. Tuttavia, per ottimizzare la qualità del raggio laser accelerato generato da questi dispositivi, i ricercatori devono essere in grado di monitorare più processi fisici ultraveloci in tempo reale.

I ricercatori del Weizmann Institute of Science (WIS) in Israele hanno recentemente sviluppato un metodo per osservare direttamente le onde plasmatiche relativistiche guidate da laser e non lineari in tempo reale. Utilizzando questo metodo presentato in un articolo pubblicato in fisica naturalesono stati in grado di caratterizzare il plasma non lineare con una risoluzione temporale e spaziale incredibilmente elevata.

“Immaginare un’onda plasma micrometrica guidata da un laser che viaggia alla velocità della luce è molto impegnativo, il che implica l’uso di impulsi di luce ultracorti o fasci di particelle cariche”, ha affermato Yang Wan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. ha detto Phys.org. “Mentre la luce può rivelare strutture nella densità del plasma, i fasci di particelle studiano i campi interni delle onde plasmatiche e potrebbero quindi fornirci molte più informazioni sullo stato di queste onde, ovvero la loro capacità di iniettare e accelerare gli elettroni del plasma”.

L’ultimo lavoro di Wan e dei suoi colleghi si basa su un precedente studio proof-of-principio condotto con il suo ex team di ricerca presso la Tsinghua University in Cina. Questo studio precedente ha sostanzialmente confermato la fattibilità dell’imaging di onde sinusoidali lineari più deboli (cioè rappresentazioni naturali di quante cose e sistemi in natura cambiano stato nel tempo).

“Per osservare direttamente l’onda plasma altamente non lineare più comunemente utilizzata per accelerare gli elettroni, abbiamo costruito due acceleratori di plasma laser ad alta potenza utilizzando il nostro sistema laser doppio 100-TW a WIS”, ha spiegato Wan. “Questo sistema produce una sonda elettronica ad alta energia e carica e l’altro produce un campo di scia plasma altamente non lineare da studiare. In questo studio esplorativo, abbiamo testato questa nuova tecnica di imaging fino ai suoi limiti, cercando le strutture del campo fine all’interno delle onde plasmatiche non lineari”.

L’obiettivo originale dell’esperimento condotto da Wan e dai suoi colleghi del WIS era osservare in dettaglio le onde plasmatiche. In seguito, tuttavia, il team ha scoperto che le onde plasmatiche non lineari hanno deviato le particelle della sonda in modi più interessanti e sorprendenti, agendo sia attraverso campi elettrici che magnetici.

“Nel decodificare queste informazioni con modelli teorici e numerici, abbiamo identificato le caratteristiche che sono direttamente correlate al picco di elettroni denso sul retro della ‘bolla di plasma’ formata”, ha detto Wan. “Per quanto ne sappiamo, questa è la prima misurazione di strutture così fini all’interno dell’onda plasmatica non lineare”.

Wan e i suoi colleghi hanno quindi aumentato la potenza del laser driver utilizzato nel loro esperimento. Ciò ha consentito loro di identificare ciò che è noto come “interruzione d’onda”, lo stato dopo il quale un’onda di plasma non può più crescere ma intrappola invece gli elettroni del plasma nel suo campo di accelerazione. La rottura delle onde è un fenomeno fisico fondamentale, soprattutto nel plasma.

“Il primo importante risultato del nostro lavoro è l’imaging dei campi estremamente forti dei plasmi relativistici, poiché sfrutta una caratteristica unica di tali acceleratori di plasma laser: la durata del raggio di pochi femtosecondi e la dimensione della sorgente del raggio di micron, che forniscono ultra -elevata risoluzione spazio-temporale “Con l’imaging dell’onda plasma, abbiamo anche osservato direttamente il sottile processo di ‘rottura dell’onda’, che è stata di per sé un’esperienza meravigliosa.”

Sorprendentemente, la misurazione raccolta da questo gruppo di ricerca non sarebbe realizzabile con nessuno degli acceleratori convenzionali esistenti basati sulla tecnologia a radiofrequenza. Pertanto, in futuro, il loro lavoro potrebbe ispirare altri team a sviluppare metodi sperimentali simili per osservare ulteriormente le molte sfumature del plasma.

“Anche la rottura dell’onda è fondamentale per gli acceleratori basati sul plasma perché gli elettroni relativistici sono generati attraverso l’autoiniezione”, ha affermato Wan. “Questo meccanismo di iniezione è piuttosto importante negli acceleratori multi-GeV a stadio singolo, dove è difficile mantenere l’iniezione controllata per un lungo periodo di funzionamento”.

Questo recente lavoro di Wan e dei suoi colleghi potrebbe avere numerose importanti implicazioni per lo sviluppo e l’uso di acceleratori laser-plasma. In particolare, introduce uno strumento prezioso per identificare il processo di autoiniezione di elettroni in tempo reale, che consentirebbe ai ricercatori di mettere a punto gli acceleratori e migliorare la qualità dei loro fasci.

“Ora abbiamo uno strumento di ricerca sul campo estremo unico e potente per studiare molte altre domande fondamentali su una gamma più ampia di parametri del plasma rilevanti per la fisica, tra cui il campo di risveglio guidato dal fascio di particelle, l’interazione fascio-plasma e la dinamica del plasma correlata alla fusione”. Il professor Victor Malka, ricercatore principale dello studio e ricercatore capo del gruppo, ha detto a Phys.org. “Il futuro è molto eccitante e siamo impazienti di scavare più a fondo nell’esplorazione di ricchi fenomeni nella fisica del plasma”.


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Maggiori informazioni:
Yang Wan et al., Osservazione diretta di onde plasmatiche rifratte relativisticamente, fisica naturale (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01717-6

© 2022 Scienza X Rete

Citazione: The Direct Observation of Highly Nonlinear Plasma Waves (15 settembre 2022), recuperato il 16 settembre 2022 da https://phys.org/news/2022-09-highly-nonlinear-plasma.html

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