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Aumentar a velocidade dos prótons com fortes pulsos de laser – esse conceito ainda jovem promete muitas vantagens sobre os aceleradores convencionais. Por exemplo, parece possível construir instalações muito mais compactas. Protótipos até o momento, no entanto, nos quais pulsos de laser são disparados em folhas de metal ultrafinas, mostram fraquezas – especialmente na frequência com que podem acelerar prótons. No Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), um grupo de trabalho internacional testou uma nova técnica: nesta abordagem, o hidrogênio congelado atua como um “alvo” para os pulsos de laser. No futuro, o método pode servir de base para conceitos avançados de terapia tumoral, como descreve a equipe na revista Natureza Comunicações.
Aceleradores de prótons convencionais, como o Grande Colisor de Hádrons no CERN em Genebra, são baseados na aceleração de partículas por meio de fortes ondas de radiofrequência. Na aceleração a laser, por outro lado, pulsos de luz ultrabrilhantes dão um impulso às partículas: pulsos de laser extremamente curtos e poderosos são disparados em lâminas de metal finas como bolachas. A luz aquece o material a tal ponto que os elétrons são ejetados em grande número, enquanto os núcleos atômicos pesados permanecem no lugar. Como os elétrons são carregados negativamente e os núcleos atômicos são carregados positivamente, um forte campo elétrico se forma entre eles.
Este campo pode então lançar um pulso de prótons com enorme força a uma distância de apenas alguns micrômetros, levando-os a energias para as quais seriam necessários sistemas muito mais longos com a tecnologia de aceleradores convencionais. Outra vantagem: “Com a aceleração a laser, podemos agrupar um grande número de partículas em um grupo de prótons”, explica o físico do HZDR, Dr. Karl Zeil. “Isso pode ser interessante para a radioterapia de tumores.”
No entanto, o método anterior de disparar pulsos de laser em folhas de metal tem desvantagens. Em primeiro lugar, é difícil gerar vários pulsos de prótons por segundo – a folha já foi destruída por um único disparo de laser e, portanto, deve ser substituída repetidamente. Em segundo lugar, o processo de aceleração é bastante complexo e relativamente difícil de controlar. O motivo: os prótons a serem acelerados vêm de hidrocarbonetos que se acumularam nas folhas de metal como uma camada de contaminantes – não exatamente ideais para o controle perfeito do experimento.
Filamento em vez de folha
Portanto, a equipe de pesquisa germano-americana em torno de Karl Zeil surgiu com uma alternativa: “Em vez de uma folha de metal, usamos um jato de hidrogênio fino e fortemente resfriado”, descreve o pesquisador. “Este jato serve como alvo para nossos pulsos de laser de alta intensidade.” Especificamente, os especialistas resfriam o gás hidrogênio em um bloco de cobre a tal ponto que se torna líquido. O hidrogênio líquido então flui através de um bocal para uma câmara de vácuo. Assim, ele esfria ainda mais e se solidifica em um filamento de espessura micrométrica: o alvo dos pulsos de laser. E como o filamento de hidrogênio se renova, o laser tem um alvo novo e intacto à vista a cada disparo.
Outro benefício é que a configuração permite um mecanismo de aceleração mais favorável: em vez de apenas aquecer o material, os pulsos de laser usam pressão de radiação para empurrar os elétrons para fora do hidrogênio e criar os campos elétricos extremos necessários para acelerar os prótons. A equipe conseguiu otimizar o processo enviando um pulso de luz curto e mais fraco na frente do pulso de laser principal. Isso pré-aqueceu o filamento de hidrogênio congelado, fazendo com que ele se expandisse e sua seção transversal crescesse de cinco micrômetros para várias vezes esse tamanho. Isso possibilitou aumentar a distância de aceleração e otimizar o processo.
Perspectivas para terapia tumoral
O resultado: “Conseguimos elevar os prótons a uma energia de 80 MeV”, relata Karl Zeil. “Isso está próximo do recorde anterior de aceleração de prótons a laser. Mas, ao contrário das instalações anteriores, nossa técnica tem o potencial de gerar vários feixes de prótons por segundo.” Além disso, o processo de aceleração é comparativamente fácil de simular para alvos de hidrogênio usando computação de alto desempenho – uma tarefa que também envolveu o Centro de Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) em HZDR. “Isso nos permite entender melhor e otimizar a interação entre o laser e a matéria”, disse Zeil. Agora, os especialistas querem usar algoritmos de IA para aumentar a “taxa de acerto” entre os pulsos de laser e o jato de hidrogênio congelado.
A tecnologia pode ser interessante para um futuro tipo de radioterapia. Já hoje, alguns tumores são irradiados com sucesso com prótons. A aceleração do laser pode aumentar a dose e, assim, encurtar o tempo de irradiação. E – como sugere um estudo HZDR – isso poderia proteger melhor o tecido saudável ao redor do tumor.
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