Un acceleratore laser non più lungo di un righello potrebbe rivoluzionare le tecniche di imaging dei muoni, aprendo la strada a scansioni rapide ed efficienti di strutture massicce che finora richiedevano mesi di esposizione ai raggi cosmici. Il dispositivo, sviluppato dai ricercatori del Berkeley Lab, rappresenta un'alternativa concreta agli ingombranti e costosi acceleratori tradizionali, permettendo di generare fasci di muoni altamente direzionali in soli 30 centimetri di lunghezza. La tecnologia si basa su un acceleratore laser-plasma (LPA) che ha dimostrato per la prima volta la capacità di produrre e rilevare muoni in modo controllato e prevedibile.
I muoni sono particelle subatomiche che attraversano costantemente il nostro pianeta: circa 147 muoni colpiscono ogni metro quadrato della superficie terrestre ogni secondo, e nel corso della vita ne vengono attraversati da trilioni. Tuttavia, questi muoni di origine cosmica sono scarsi, casuali e poco affidabili per applicazioni pratiche di imaging. La loro penetrazione straordinaria attraverso materiali densi come piombo, acciaio e centinaia di metri di roccia li rende ideali per ispezionare strutture che i raggi X non possono attraversare, ma finora il loro utilizzo è stato limitato dalla difficoltà di ottenerli in quantità sufficienti.
La struttura sperimentale del Berkeley Lab sfrutta impulsi laser intensi per accelerare fasci di elettroni a energie estremamente elevate in un canale di plasma lungo appena 30 centimetri. Questi elettroni ad alta energia vengono poi fatti collidere con un bersaglio ad alto numero atomico, in questo caso piombo, dove vengono deviati dai nuclei atomici ed emettono fotoni energetici. Quando questi fotoni colpiscono i nuclei del bersaglio, producono coppie muone-antimuone che formano un fascio altamente direzionale lungo il percorso originale degli elettroni, con energie che raggiungono diversi gigaelettronvolt.
L'efficienza del sistema rappresenta un balzo in avanti notevole: mentre le tecniche convenzionali basate sui raggi cosmici richiedono mesi di esposizione per raccogliere dati sufficienti a creare un'immagine chiara, il nuovo acceleratore laser-plasma produce oltre 20 muoni per impulso all'interno dell'apertura di imaging. Questo incremento drammatico riduce i tempi di esposizione da mesi a pochi minuti, mantenendo una risoluzione eccezionale. Per l'imaging orizzontale, il flusso di muoni generato è risultato superiore di oltre 40 volte rispetto a quello ottenibile dai raggi cosmici.
Le simulazioni e gli esperimenti hanno rivelato due popolazioni distinte di muoni: quelli ad alta energia, altamente direzionali e concentrati lungo l'asse centrale del fascio, e quelli a energia inferiore, non direzionali, che dominano nelle regioni lontane dall'asse centrale. Questa caratteristica consente un controllo senza precedenti sulla qualità e sulla direzione del fascio, elementi fondamentali per applicazioni di imaging precise.
L'imaging con muoni ha già dimostrato il suo valore in contesti archeologici e geologici: ha permesso di scoprire camere nascoste nella Grande Piramide di Giza, di esplorare l'interno di vulcani attivi e di ispezionare depositi di scorie nucleari. A differenza dei raggi X, che vengono facilmente assorbiti, i muoni perdono energia gradualmente, consentendo loro di attraversare strutture massicce o nascoste. Questa proprietà unica li rende strumenti ideali per indagini non distruttive di oggetti grandi o occultati, ma finora le applicazioni pratiche erano limitate dalla necessità di sorgenti artificiali ingombranti ed economicamente proibitive.
La necessità di un dispositivo compatto e trasportabile sul campo ha spinto i ricercatori a esplorare gli acceleratori laser-plasma. Diversi studi teorici avevano previsto che gli LPA potessero generare muoni come sottoprodotto della collisione di fasci di elettroni prodotti dal plasma laser con bersagli ad alto numero atomico, ma la maggior parte di queste previsioni erano puramente computazionali e prive di conferme sperimentali. Il lavoro condotto presso la BELLA Facility del Berkeley Lab, pubblicato sulla rivista Physical Review Accelerators and Beams, rappresenta la prima rilevazione e caratterizzazione sperimentale di fasci di muoni direzionali prodotti da un acceleratore laser-plasma.