Il laser ai raggi X che crea le stelle e fa le lastre al DNA

I risultati dei primi esperimenti condotti con un laser di nuova concezione potrebbero rivoluzionare le nostre conoscenze della materia e dell'energia.

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La radiografia del mimivirus ottenuta grazie al laser a raggi X (Image courtesy Tomas Ekeberg, Uppsala University)

Se potessimo sfruttare l'immane energia liberata dal Sole nei suoi processi di fusione nucleare avremmo risolto, probabilmente per i prossimi milioni di anni, il problema dell'approvvigionamento energetico del nostro pianeta. Ma studiare dei sistemi per la raccolta e la conservazione dell'energia prodotta da questi processi è molto costoso e tecnicamente complesso.
A meno di non riuscire a replicare un Sole in miniatura tra le mura di un laboratorio, proprio come hanno recentemente fatto gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory di Stanford, negli USA.

Stella in provetta
I ricercatori hanno utilizzato il Linac Coherent Light Source (LCLS), vedi il video a fondo pagina, il più potente generatore di fasci laser ai raggi X del mondo, per bombardare una sottilissima lastra di alluminio portandola per una frazione di tempo brevissima - un milionesimo di miliardesimo di secondo – a una temperatura di 2 milioni di kelvin, circa un terzo della temperatura superficiale del Sole.
A queste temperature la materia ha caratteristiche di energia e di densità simili a quelle che si possono trovare nel cuore delle stelle, là dove avvengono i processi di fusione nucleare che le mantengono in equilibrio termodinamico.
I risultati di questo esperimento sono stati confermati anche a livello teorico da alcune simulazioni matematiche e costituiranno la base di nuovi test che dovrebbero condurre gli scienziati alla realizzazione di sistemi per la produzione in laboratorio di fusioni nucleari.
Fino aggi infatti, i ricercatori si sono dovuti infatti limitare alla generazione di plasma, un gas ad altissima temperatura di cui però è impossibile sfruttare l'energia, perchè per contenerlo occorrono campi magnetici così potenti da rendere negativo il bilancio energetico del sistema nel suo complesso. (Ma con i laser si fanno anche i cannoni: guarda qui)

Il domino degli elettroni
Inaugurato nel 2009 presso i laboratori di Stanford, il Linac Coherent Light Source è il più potente generatore di laser ai raggi X mai costruito. È stato realizzato puntando un generatore di laser nella lunghezza d'onda dei raggi X contro una capsula contenente neon: l'energia del laser eccita gli elettroni dei gusci più interni degli atomi di neon inducendoli a staccarsi dall'atomo stesso. Quando altri elettroni vanno a riempire i buchi, un atomo su 50 risponde emettendo un fotone della lunghezza d’onda dei raggi X.
Questi raggi stimolano gli atomi di neon vicini ad emettere più raggi X, reinnescando il processo e creando un effetto domino che amplifica la luce di partenza di 200 milioni di volte. Il risultato è il laser più puro e luminoso mai realizzato.

Supermacro ad alta energia
Tra le possibilità offerte da questo strumento, quella di “fotografare” l'infinitamente piccolo sfruttando la proprietà dei raggi X di penetrare la materia: con questo procedimento gli scienziati di Stanford sono già riusciti a "fare le lastre" a un virus, ricostruendone la struttura interna.
Il microorganismo è stato messo sulla traiettoria del laser e poi bombardato con impulsi della durata di qualche milionesimo di miliardesimo di secondo. Il virus ovviamente si è vaporizzato, ma gli impulsi sono stati così veloci da permettere ai ricercatori di catturare la sua immagine prima dell'esplosione. Mettendo sotto il raggio qualche centinaio di virus è possibile ottenere moltissime informazioni utili ai ricercatori. (E c'è chi utilizza il laser per scattare incredibili foto agli insetti)
Uno dei prossimi obiettivi potrebbe essere quello di fotografare da dentro una molecola di DNA. Secondo gli scienziati concentrando impulsi ancora più brevi su aree non più grandi di un nanometro, si potrebbero ottenere immagini della molecola con dettagli sufficienti a rivelare le differenze tra un individuo e l'altro.

Scopri le apparecchiature giganti che studiano l'infinitamente piccolo


Video: viaggio nel Linac Coherent Light Source (LCLS) 

05 Aprile 2012 | Franco Severo