Laser e grafeno levaram prótons a 132 milhões de elétron-volts

Um pulso de laser atingiu uma folha suspensa de grafeno, material de carbono com espessura atômica, e acelerou prótons, partículas de carga positiva, até a energia máxima medida de 132 megaelétron-volts (MeV), ou 132 milhões de elétron-volts. Essa energia corresponde a uma velocidade próxima da metade da velocidade da luz. O resultado, publicado em Progress of Theoretical and Experimental Physics por Takumi Minami, Che-Men Chu, Kentaro Sakai e colaboradores, é um avanço experimental para essa classe de pulsos relativamente longos, não um feixe pronto para tratar pacientes.

Um elétron-volt mede energia na escala das partículas. O alvo tinha várias camadas de grafeno suspensas sobre um pequeno vão. A ideia era usar o laser para criar campos elétricos intensos e dar aos prótons mais tempo para ganhar energia.

No equipamento da Universidade de Osaka, os pesquisadores irradiaram alvos de quatro, oito ou dezesseis camadas de grafeno com um pulso de cerca de 1,5 picossegundo — um picossegundo é um trilionésimo de segundo. Detectores registraram marcas das partículas, um espectrômetro as separou conforme a energia e uma análise de imagens por aprendizado de máquina ajudou a identificar as trilhas raras de prótons de alta energia. A leitura máxima foi 132 MeV.

A explicação proposta vem de simulações em duas dimensões. Após o laser transformar parte do alvo em plasma — matéria ionizada em que elétrons liberados dos átomos coexistem com íons positivos — uma região de campo elétrico avançaria pelo material e continuaria a empurrar os prótons por mais de três picossegundos. “Surfar” nesse campo é uma metáfora para a partícula permanecer na região que a acelera; a trajetória do campo foi calculada, não filmada diretamente.

A nota dos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quânticas do Japão, sem repórter individual identificado, chama 132 MeV de recorde na categoria de pulso relativamente longo. Ela também cita 150 MeV para lasers de pulso curto em outras condições. Portanto, 132 MeV não é um recorde mundial absoluto nem uma comparação simples de eficiência entre aparelhos.

O experimento demonstra que esse arranjo pode levar alguns prótons a energia elevada. Não demonstra ainda um feixe numeroso, uniforme ou controlável para uso clínico: o pequeno grupo de prótons com as maiores energias continha muito menos partículas que o de um estudo comparador. O passo decisivo é repetir a aceleração com quantidade e qualidade úteis e verificar, com medidas adicionais, o campo móvel previsto pela simulação.