Espectrometría de tiempo de vuelo de neutrones rápidos por evento único con una fuente de neutrones impulsada por láser petavatio

Por qué importan los pequeños pulsos de neutrones

Los neutrones, las partículas sin carga del interior de los núcleos atómicos, son sondas potentes tanto para la naturaleza como para la tecnología. Ayudan a los científicos a comprender cómo se formaron los elementos en el universo, cómo se comportan los reactores nucleares y cómo responden los materiales avanzados a la radiación. Sin embargo, las grandes máquinas tradicionalmente empleadas para producir haces intensos de neutrones —reactores de investigación y grandes aceleradores de partículas— son costosas y cada vez más escasas. Este estudio explora una opción muy diferente: usar un láser ultrapotente para crear destellos compactos e intensos de neutrones rápidos y demuestra, por primera vez, que estos destellos pueden medirse interacción por interacción con alta precisión.

De máquinas gigantes a destellos de sobremesa

Las fuentes convencionales de neutrones dependen de túneles largos de aceleradores o de reactores nucleares para generar haces que viajan muchos metros —a veces cientos— antes de llegar a un experimento. Su tamaño y complejidad limitan el acceso y hacen que las mejoras sean lentas. En contraste, las fuentes de neutrones impulsadas por láser emplean un láser de clase petavatio enfocado sobre una pequeña lámina sólida. Los campos eléctricos extremos del láser arrancan partículas de la lámina y aceleran principalmente protones hasta decenas de millones de electronvoltios en apenas billonésimas de segundo. Cuando estos protones impactan un segundo objetivo, llamado convertidor o catcher, producen un pulso muy corto e intenso de neutrones rápidos. Dado que el pulso inicial es tan breve, en principio se puede usar una trayectoria de vuelo mucho más corta para medir las energías de los neutrones, reduciendo todo el montaje al tamaño de una sala.

Construir un experimento compacto pero limpio

Convertir esta idea en una herramienta de precisión resulta desafiante. La interacción con el láser no solo genera protones sino que también expulsa electrones, rayos X, rayos gamma y ruido electromagnético que pueden fácilmente enmascarar detectores delicados. Los detectores tradicionales de neutrones en este campo suelen medir solo la señal total de muchas partículas a la vez, lo que está bien para contar neutrones pero no para resolver reacciones individuales. En este trabajo, el equipo montó un arreglo simplificado alrededor del láser petavatio DRACO en Dresden. Caracterizaron cuidadosamente el haz de protones acelerados por láser y otras partículas, y luego utilizaron simulaciones informáticas detalladas para diseñar el blindaje y las posiciones de los detectores. Los neutrones se crearon disparando los protones contra bloques de cobre o fluoruro de litio. Un pequeño detector de diamante, resistente a la radiación, se colocó a solo 1,5 metros —mucho más cerca que en instalaciones estándar— para captar neutrones al tiempo que aún se podían separar temporalmente del destello previo de fotones.

Escuchar los “clics” de neutrones individuales

El núcleo del estudio es la capacidad de detectar eventos inducidos por neutrones individuales en lugar de un borrón de muchos. El detector de diamante responde en menos de una milmillonésima de segundo y es relativamente insensible a los rayos gamma, lo que lo hace adecuado para este entorno hostil. Aun así, las señales eléctricas crudas estaban inicialmente dominadas por el destello inmediato de rayos X y por el ruido electromagnético. Los investigadores registraron trazas para cada disparo del láser y desarrollaron un método de análisis dedicado para restar el patrón de ruido común y buscar pulsos pequeños y bien formados que llegaban más tarde en el tiempo. Cada uno de esos pulsos corresponde a una interacción de un neutrón dentro del diamante. Midiendo el tiempo de llegada de cada pulso respecto al disparo del láser y usando la conocida trayectoria de vuelo de 1,5 metros, convirtieron tiempo en energía de neutrones y construyeron un espectro acumulando datos durante cientos de disparos.

Separar la señal del fondo

Una dificultad clave fue distinguir los neutrones que venían directamente del objetivo convertidor de aquellos que habían sido dispersados por paredes u otro equipo. Para cuantificar este fondo, el equipo alternó mediciones normales con corridas “en sombra” en las que se colocó temporalmente un bloque de material absorvedor de neutrones entre la fuente y el detector. Las señales registradas en esta configuración en sombra procedían mayormente de neutrones dispersados y radiación residual. Usando un enfoque estadístico tomado de la astrofísica, combinaron los dos conjuntos de datos para restar el fondo y recuperar la contribución directa de los neutrones. Luego corrigieron por la eficiencia dependiente de la energía del detector —conocida a partir de simulaciones independientes— para obtener el rendimiento verdadero de neutrones en función de la energía para ambos materiales convertidores y compararon el resultado con métodos independientes de conteo de neutrones y con dos códigos de simulación principales.

Lo que nos dicen los resultados

El experimento mostró que una fuente impulsada por un láser petavatio puede producir de forma fiable del orden de cien millones de neutrones rápidos por disparo por encima de un millón de electronvoltios, y que los eventos de neutrones individuales pueden registrarse de forma clara a solo 1,5 metros de la fuente a pesar de la intensa radiación de fondo. Los espectros de energía medidos coincidieron con las predicciones por ordenador y con detectores convencionales con diferencias del orden de decenas de por ciento, un buen acuerdo dado lo desafiante del entorno y el número limitado de disparos. Comparada con instalaciones de aceleradores establecidas, la fuente impulsada por láser ofrece una resolución de energía de neutrones comparable en un montaje mucho más compacto y un número competitivo de neutrones por pulso, con vías claras de mejora a medida que avanzan los láseres y los objetivos de alta repetición. En términos prácticos, esta prueba de concepto muestra que futuros laboratorios de neutrones basados en láser podrían realizar estudios detallados de reacciones nucleares —incluyendo isótopos radiactivos de vida corta— en espacios reducidos y con pulsos extraordinariamente cortos, abriendo nuevas oportunidades en física nuclear, astrofísica y ciencia aplicada.

Cita: Millán-Callado, M.A., Scheuren, S., Alejo, A. et al. Single-event fast neutron time-of-flight spectrometry with a petawatt-laser-driven neutron source. Nat Commun 17, 3154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70312-7

Palabras clave: fuente de neutrones impulsada por láser, tiempo de vuelo de neutrones rápidos, láser petavatio, detector de diamante, estudios de reacciones nucleares