EuPRAXIA@SPARC_LAB: verso la prima generazione di acceleratori da tavolo

Fotografia del capillare lungo 3 cm con diametro 1 mm attualmente in funzione nel laboratorio SPARC_LAB a Frascati. La luce rosa è emessa dal plasma confinato dal capillare durante la fase successiva alla ionizzazione del gas (idrogeno).

Gli acceleratori di particelle possono rivoluzionare il nostro futuro, aiutandoci per esempio a investigare l'origine dell'Universo e della vita, a curare i tumori, a controllare l'inquinamento. Macchine utilissime ma con un difetto: grandi dimensioni e costi elevati. Per superare questo problema e rendere accessibili a tutti gli straordinari benefici di queste macchine, molti ricercatori nel mondo stanno ora lavorando alla loro miniaturizzazione.

Nel 2016 è stato approvato un programma di ricerca Europeo denominato "European Plasma Research Accelerator with eXcellence in Applications" (EuPRAXIA), con l'obiettivo di progettare e in un prossimo futuro costruire la prima User Facility basata su un acceleratore miniaturizzato, "da tavolo". Si tratta essenzialmente di realizzare un acceleratore di particelle compatto in grado di portare elettroni ad alta energia in pochi centimetri, utilizzando le proprietà uniche delle onde di plasma.

La sede dell'infrastruttura Europea non è stata ancora definita ma l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che partecipa alla collaborazione EuPRAXIA insieme ad altri 16 istituti di ricerca europei, intende proporre la candidatura del Laboratorio Nazionale di Frascati (LNF) come possibile sito per la sua realizzazione. Per rafforzare tale proposito il 7 maggio scorso è stato pubblicato il "Conceptual Design Report" (CDR) di una nuova infrastruttura di ricerca, denominata EuPRAXIA@SPARC_LAB, da realizzare nell'arco dei prossimi 5 anni presso i LNF, in collaborazione con CNR, ENEA e Università di Roma e Milano, che potrebbe essere la prima pietra della User Facility Europea. Il CDR si basa sull’attività di ricerca già in corso a Frascati presso il laboratorio SPARC_LAB, dove un prototipo di acceleratore a plasma è in via di sperimentazione.

Un acceleratore a plasma è sottile come una cannuccia di vetro, con un foro di diametro inferiore al millimetro, tecnicamente chiamato "capillare". All'interno del capillare è confinato un gas ionizzato (il plasma, ovvero una miscela di elettroni e ioni). Quando il plasma è attraversato da un potente fascio laser o, in alternativa, di particelle elettricamente cariche, gli elettroni del plasma vengono immediatamente allontanati dalla loro posizione di equilibrio mentre gli ioni, più pesanti, restano temporaneamente immobili. Nella scia dell’impulso laser resta così una regione di spazio occupata quasi esclusivamente dagli ioni di carica positiva, e al suo interno si generano elevatissimi campi elettrostatici. Un secondo fascio di elettroni iniettato nella scia dell’impulso laser risulta soggetto a campi acceleranti di decine di GV/m, almeno due ordini di grandezza superiori alle prestazioni degli acceleratori convenzionali attualmente in funzione.

Già durante la fase di realizzazione, un'infrastruttura di ricerca come EuPRAXIA@SPARC_LAB comporterà lo sviluppo di importanti dispositivi ad alto contenuto tecnologico necessari al funzionamento dell’acceleratore a plasma: laser di alta potenza, strutture acceleranti ad alta frequenza (banda X), sistemi di diagnostica e di sincronizzazione. Una volta realizzato, un acceleratore di particelle a plasma da tavolo potrebbe essere utilizzato negli ospedali, nei laboratori universitari o industriali. Il numero di pazienti che potrebbero usufruire delle nuove terapie oncologiche basate sull'irraggiamento di particelle aumenterebbe enormemente. L'industria micro-elettronica potrebbe sfruttare queste nuove macchine per produrre dispositivi ancora più miniaturizzati, i più potenti calcolatori potrebbero avere le dimensioni di un nostro telefonino, si aprirebbero insomma nuovi orizzonti di conoscenza e applicazione.