ZEUS apre nuove frontiere nell’imaging, nella terapia contro il cancro e nell’astrofisica
Il quadro generale: Dopo aver completato con successo il suo primo esperimento da 2 petawatt, ZEUS è pronto a spostare i limiti della scienza ad alta intensità, offrendo agli scienziati uno strumento nuovo e potente per scoperte e innovazioni. Il team sta continuando ad aggiornare il sistema verso la sua piena capacità, mentre gli esperimenti degli utenti sono già in corso.
Il sistema laser ZEUS dell’Università del Michigan ha portato gli Stati Uniti in una posizione di leader nella scienza dei laser ad alta intensità. Nel suo primo esperimento ufficiale, ZEUS ha raggiunto una potenza di picco di 2 petawatt, il doppio della potenza di qualsiasi altro laser nel paese. Sebbene questa emissione, che supera di oltre 100 volte la produzione elettrica mondiale totale, duri solo 25 quintilionesimi di secondo, rappresenta un traguardo significativo per le capacità di ricerca americane.
“Questo traguardo segna l’inizio di esperimenti che si avventurano in territori inesplorati per la scienza ad alto campo americana,” ha affermato Karl Krushelnick, direttore del Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science, che ospita ZEUS. L’università descrive l’impianto, costruito con 16 milioni di dollari, come un “affare” data la sua portata e il suo potenziale.
Supportato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, ZEUS funziona come una struttura a disposizione degli utenti, accogliendo team di ricerca da tutto il paese e dal mondo. Le proposte per gli esperimenti vengono selezionate attraverso un processo di revisione indipendente, garantendo che le capacità del laser vengano utilizzate per le indagini scientifiche più promettenti. Si prevede che la ricerca condotta presso ZEUS favorirà il progresso in campi come la medicina, la sicurezza nazionale, la scienza dei materiali, l’astrofisica, la scienza del plasma e la fisica quantistica.
Il sistema ZEUS è principalmente costruito con componenti commerciali e incorpora tecnologie avanzate, tra cui un amplificatore a impulso chirpato doppio e filtri acusto-ottici programmabili che preservano la larghezza di banda e la fase precise richieste per impulsi ultracorti ad alta potenza. Il laser può erogare impulsi compressi brevi fino a 20 femtosecondi, permettendo una vasta gamma di esperimenti all’avanguardia.
All’interno di uno spazio grande quanto una palestra scolastica, ZEUS ospita tre aree target distinte, ciascuna adattata a specifiche applicazioni di ricerca. L’Area Target 2 è progettata per esperimenti che coinvolgono bersagli solidi e accelerazione di ioni, mentre l’Area Target 3 è ottimizzata per l’accelerazione del wakefield laser e può misurare energie elettroniche fino a circa 5 GeV.
La capacità dell’impianto di dividere il suo fascio gli permette di raggiungere intensità fino a un milione di volte maggiori rispetto a un singolo fascio, consentendo lo studio di fenomeni estremi come le strutture del vuoto quantistico e la creazione di coppie materia-antimateria dallo spazio vuoto.
“Una delle grandi qualità di ZEUS è che non è solo un grande martello laser, ma puoi dividere la luce in più fasci,” ha detto Franklin Dollar, professore all’Università della California, Irvine, il cui gruppo sta conducendo il primo esperimento utente a 2 petawatt.
Il team di Dollar, in collaborazione con gli scienziati di ZEUS, sta lavorando per generare fasci di elettroni con energie comparabili a quelle prodotte dagli acceleratori di particelle di centinaia di metri di lunghezza. L’obiettivo è raggiungere energie elettroniche da cinque a dieci volte superiori a quelle precedentemente raggiunte da ZEUS.
“Il nostro obiettivo è raggiungere energie elettroniche più elevate utilizzando due fasci laser separati: uno per formare un canale guida e l’altro per accelerare gli elettroni attraverso di esso,” ha spiegato Anatoly Maksimchuk, scienziato ricercatore dell’Università del Michigan che guida lo sviluppo delle aree sperimentali.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno ridisegnato il bersaglio allungando la cella che contiene il gas elio. Quando l’impulso laser colpisce questo gas, crea plasma strappando elettroni agli atomi, trasformando il gas in una miscela di elettroni liberi e ioni carichi positivamente. Gli elettroni vengono poi accelerati nella scia dell’impulso laser, un processo noto come accelerazione nel wakefield. Poiché la luce viaggia più lentamente attraverso il plasma, gli elettroni possono raggiungere e cavalcare l’impulso, guadagnando più energia su una distanza più lunga nel bersaglio esteso e meno denso.
Questa dimostrazione della potenza di ZEUS funge da preludio all’esperimento distintivo dell’impianto, previsto per quest’anno, in cui gli elettroni accelerati collideranno con impulsi laser che viaggiano nella direzione opposta. Nel sistema di riferimento degli elettroni, l’impulso laser da 3 petawatt apparirà un milione di volte più potente – un impulso di scala zettawatt – conferendo a ZEUS il suo nome completo: “Zettawatt Equivalent Ultrashort laser pulse System.”
I potenziali benefici di ZEUS vanno ben oltre la fisica, influenzando i progressi in sanità, tecnologia e sviluppo economico, ha detto Vyacheslav Lukin, direttore del programma nella Divisione di Fisica della NSF. “La ricerca fondamentale condotta nella struttura NSF ZEUS ha molte possibili applicazioni, tra cui metodi di imaging migliori per i tessuti morbidi e il progresso delle tecnologie utilizzate per trattare il cancro e altre malattie,” ha affermato.
Gli esperimenti di ZEUS potrebbero anche aiutare a spiegare fenomeni astrofisici come i getti di positroni dai buchi neri e le esplosioni di raggi gamma, collegando la scienza di laboratorio con alcuni degli eventi più misteriosi dell’universo.
Il viaggio per raggiungere i 2 petawatt non è stato privo di ostacoli. Il cristallo di zaffiro al titanio del diametro di quasi 7 pollici necessario per l’amplificatore finale è stato ottenuto dopo diversi anni. “Il cristallo che riceveremo quest’estate ci porterà a 3 petawatt, e ci sono voluti quattro anni e mezzo per produrlo,” ha detto Franko Bayer, manager del progetto ZEUS. “La dimensione del cristallo di zaffiro al titanio che abbiamo è tra le poche al mondo.”
Sono emerse anche sfide tecniche durante la transizione dal sistema laser HERCULES da 300 terawatt al sistema da 1 petawatt di ZEUS. L’oscuramento imprevisto delle reticelle di diffrazione è stato ricondotto a depositi di carbonio formatisi quando il potente fascio interagiva con molecole residue nella camera a vuoto. Il team ha stabilito limiti operativi sicuri per prevenire ulteriori danni.
Dal suo avvio nell’ottobre 2023, ZEUS ha ospitato 11 esperimenti che coinvolgono 58 ricercatori di 22 istituzioni, inclusi partecipanti internazionali. Il modello utente della struttura è simile a quello di altri importanti centri di ricerca, come il LCLS-II del SLAC National Accelerator Laboratory, e sta già attirando collaborazioni globali.
Crediti fotografici: Marcin Szczepanski
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Nicola Costanzo esplora il mondo della tecnologia e dell’innovazione. I suoi articoli illuminano le sfide digitali che plasmano il nostro futuro.