Uma nova proposta de aceleração de partículas usando lasers pode redefinir os limites da física moderna e reduzir drasticamente o tamanho — e o custo — de equipamentos hoje restritos a grandes laboratórios internacionais. Publicado neste sábado (02), na revista Nature Communications, o estudo liderado por Tanner Nutting, da Universidade de Michigan, apresenta um método inédito capaz de acelerar elétrons e prótons em escalas até então consideradas impraticáveis .

Batizada de Transversely Pumped Acceleration (TPA), a técnica utiliza arranjos de múltiplos feixes de laser que se cruzam transversalmente em um plasma, criando uma estrutura de aceleração altamente controlável. O resultado, segundo os autores, é a possibilidade de atingir gradientes da ordem de 1 teraelétron-volt por metro (TeV/m), superando limitações fundamentais dos métodos tradicionais .

“Estamos propondo uma nova forma de estruturar a luz no espaço e no tempo para acelerar partículas carregadas”, afirma Nutting, autor principal do trabalho. “Essa abordagem permite controlar com precisão a velocidade da onda de plasma e manter as partículas na fase de aceleração por muito mais tempo”, diz o pesquisador .

Desde a década de 1970, quando os primeiros conceitos de aceleração por plasma foram introduzidos, físicos enfrentam um limite conhecido como dephasing. Trata-se do momento em que partículas aceleradas ultrapassam a “onda” que as impulsiona, perdendo eficiência no ganho de energia.

Nos métodos convencionais, como o laser wakefield acceleration (LWFA), esse fenômeno restringe o comprimento útil de aceleração. A nova técnica, no entanto, elimina esse gargalo.

“O grande diferencial do TPA é justamente contornar o dephasing”, explica Alexander G. R. Thomas, coautor do estudo. “Isso permite operar com densidades de plasma maiores e alcançar campos elétricos mais intensos, o que se traduz diretamente em mais energia para as partículas” .

Simulações realizadas pela equipe mostram que prótons podem atingir energias de até 1,12 GeV em apenas 3,6 milímetros de plasma — um desempenho expressivo para um sistema compacto . No caso de elétrons, os gradientes podem alcançar centenas de bilhões de elétron-volts por metro, abrindo caminho para aplicações antes restritas a aceleradores de quilômetros de extensão.

O estudo foi conduzido no Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science e no Departamento de Engenharia Nuclear da Universidade de Michigan, com apoio do Departamento de Energia dos Estados Unidos e da National Science Foundation .

Além da formulação teórica, os pesquisadores utilizaram simulações avançadas com o software OSIRIS para validar o conceito. Os resultados indicam que a técnica não apenas funciona, mas pode ser escalável.

“A grande vantagem do TPA é sua flexibilidade”, afirma Karl Krushelnick, que liderou a concepção do projeto. “Para aumentar a energia, basta adicionar mais feixes de laser. Não é necessário redesenhar todo o sistema, como ocorre em outras abordagens” .

Essa característica pode ser decisiva para viabilizar aceleradores mais compactos e de menor custo — uma demanda crescente tanto na pesquisa científica quanto em aplicações comerciais.

Um dos campos mais promissores para a aplicação da nova tecnologia é a medicina. A aceleração de prótons, por exemplo, é fundamental para terapias avançadas contra o câncer, como a protonterapia.

Atualmente, esses tratamentos dependem de grandes instalações, com custos elevados. A miniaturização dos aceleradores poderia ampliar o acesso.

Além disso, a técnica pode ser utilizada na geração de feixes para radiografia de alta energia, produção de materiais e até inspeção industrial.

Na física de altas energias, o impacto pode ser ainda mais profundo. A busca por novos aceleradores capazes de substituir ou complementar estruturas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) exige soluções mais eficientes e compactas.

Segundo os autores, o TPA poderia permitir a produção de feixes de elétrons na escala de teraelétron-volts em poucos metros.

Estimativas do estudo indicam que seria possível atingir 1 TeV utilizando cerca de 27 kJ de energia distribuída em milhões de pequenos pulsos de laser . Em cenários mais avançados, gradientes de até 2,5 TeV/m poderiam reduzir ainda mais o tamanho dos sistemas .

“Estamos falando de uma mudança de paradigma”, afirma Krushelnick. “A possibilidade de construir aceleradores muito mais compactos pode democratizar o acesso à física de altas energias.”

Apesar dos resultados promissores, a tecnologia ainda está em fase de validação. Os próprios autores destacam que o próximo passo é a realização de experimentos de prova de conceito.

Entre os desafios estão o controle preciso do tempo entre os pulsos de laser e a sincronização dos feixes — embora avanços recentes em óptica e aprendizado de máquina indiquem que essas barreiras são superáveis.

“A viabilidade não depende de um salto tecnológico impossível, mas da integração de técnicas que já existem”, observa Thomas .

O desenvolvimento do TPA se insere em um momento de intensa transformação na física de plasmas e na engenharia de lasers. Combinando conceitos de controle espaço-temporal da luz e avanços em computação, a técnica aponta para uma nova geração de aceleradores.

Se confirmada experimentalmente, poderá reduzir o tamanho de equipamentos que hoje ocupam quilômetros para escalas de laboratório — ou até hospitalares.

Mais do que uma inovação incremental, o estudo sugere uma mudança estrutural na forma como partículas são aceleradas. E, com isso, abre caminho para avanços que vão da medicina à exploração dos limites fundamentais do universo.