Spettrometria del tempo di volo di neutroni veloci evento-singolo con una sorgente di neutroni guidata da laser petawatt

Perché contano gli impulsi minuscoli di neutroni

I neutroni, le particelle prive di carica all’interno dei nuclei atomici, sono sonde potenti sia per la natura sia per la tecnologia. Aiutano gli scienziati a capire come si sono formati gli elementi nell’universo, come si comportano i reattori nucleari e come i materiali avanzati rispondono alle radiazioni. Tuttavia, le grandi macchine tradizionalmente impiegate per produrre fasci intensi di neutroni—reattori di ricerca e grandi acceleratori di particelle—sono costose e sempre più rare. Questo studio esplora un’opzione molto diversa: usare un laser ultra‑potente per creare lampi compatti e intensi di neutroni veloci e mostra, per la prima volta, che questi impulsi possono essere misurati un’interazione alla volta con alta precisione.

Dalle macchine gigantesche a lampi da tavolo

Le sorgenti convenzionali di neutroni si basano su lunghi tunnel di acceleratori o su reattori nucleari per generare fasci che viaggiano per molti metri—talvolta centinaia—prima di raggiungere un esperimento. La loro dimensione e complessità limitano l’accesso e rendono lente le migliorie. Al contrario, le sorgenti di neutroni guidate da laser utilizzano un laser di classe petawatt focalizzato su una sottile lamina solida. I campi elettrici estremi del laser strappano particelle dalla lamina e accelerano principalmente protoni fino a decine di milioni di elettronvolt in appena bilionesimi di secondo. Quando questi protoni colpiscono un secondo bersaglio, chiamato convertitore o catcher, producono un lampo molto breve e intenso di neutroni veloci. Poiché l’impulso iniziale è così breve, in linea di principio si può usare un percorso di volo molto più corto per misurare le energie dei neutroni, riducendo l’intero apparato alle dimensioni di una stanza.

Costruire un esperimento compatto ma pulito

Trasformare quest’idea in uno strumento di precisione è impegnativo. L’interazione con il laser non genera solo protoni ma spruzza anche elettroni, raggi X, raggi gamma e rumore elettromagnetico che possono facilmente sommergere rivelatori sensibili. I rivelatori di neutroni tradizionali in questo ambito misurano di solito solo il segnale totale di molte particelle contemporaneamente, il che va bene per contare i neutroni ma non per risolvere singole reazioni. In questo lavoro il team ha costruito un allestimento snello attorno al laser petawatt DRACO a Dresda. Hanno caratterizzato con cura il fascio di protoni accelerati dal laser e le altre particelle, quindi hanno usato simulazioni dettagliate per progettare schermature e posizioni dei rivelatori. I neutroni sono stati creati facendo colpire i protoni su blocchi di rame o di fluoruro di litio. Un piccolo rivelatore al diamante, resistente alle radiazioni, è stato posto a soli 1,5 metri di distanza—molto più vicino rispetto alle strutture standard—per catturare i neutroni pur separandoli nel tempo dall’impulso precedente di fotoni.

Ascoltare i “clic” di singoli neutroni

Il cuore dello studio è la capacità di rilevare eventi indotti da singoli neutroni invece di un semplice sfocamento di molti. Il rivelatore al diamante risponde in meno di un miliardesimo di secondo ed è relativamente insensibile ai raggi gamma, rendendolo adatto a questo ambiente ostile. Anche così, i segnali elettrici grezzi erano inizialmente dominati dal lampo prompt di raggi X e dal rumore elettromagnetico. I ricercatori hanno registrato le tracce per ogni colpo di laser e sviluppato un metodo di analisi dedicato per sottrarre il pattern di rumore comune e cercare piccoli impulsi ben sagomati che arrivavano più tardi nel tempo. Ognuno di questi impulsi corrisponde a un’interazione neutronica all’interno del diamante. Misurando il tempo di arrivo di ogni impulso rispetto allo scatto del laser e usando il percorso di volo noto di 1,5 metri, hanno convertito il tempo in energia del neutrone e costruito uno spettro accumulando dati su centinaia di colpi.

Separare il segnale dal rumore di fondo

Una difficoltà chiave è stata distinguere i neutroni che provenivano direttamente dal bersaglio convertitore da quelli che avevano subìto scattering sulle pareti o su altre attrezzature. Per quantificare questo fondo, il team ha alternato misurazioni normali con corse “in ombra” in cui un blocco di materiale assorbente di neutroni veniva temporaneamente posto tra sorgente e rivelatore. I segnali registrati in questa configurazione in ombra provenivano per lo più da neutroni diffusi e radiazione residua. Usando un approccio statistico preso in prestito dall’astrofisica, hanno combinato i due set di dati per sottrarre il fondo e recuperare il contributo diretto dei neutroni. Hanno poi corretto per l’efficienza dipendente dall’energia del rivelatore—nota da simulazioni separate—per ottenere il reale rendimento di neutroni in funzione dell’energia per entrambi i materiali del convertitore e hanno confrontato il risultato con metodi convenzionali di conteggio dei neutroni e con due importanti codici di simulazione.

Cosa ci dicono i risultati

L’esperimento ha mostrato che una sorgente guidata da laser petawatt può produrre in modo affidabile dell’ordine di centinaia di milioni di neutroni veloci per colpo sopra il milione di elettronvolt, e che eventi di neutroni individuali possono essere registrati in modo netto a soli 1,5 metri dalla sorgente nonostante la radiazione di fondo intensa. Gli spettri di energia misurati si sono accordati con le previsioni al calcolatore e con i rivelatori convenzionali entro poche decine di percento, un buon livello di accordo dato la difficoltà dell’ambiente e il numero limitato di colpi. Se confrontata con strutture di acceleratori consolidate, la sorgente guidata da laser offre una risoluzione energetica dei neutroni comparabile in un apparato molto più compatto e neutroni per impulso competitivi, con chiari margini di miglioramento man mano che progrediscono i laser e i bersagli ad alto ritmo. In termini pratici, questa prova di principio mostra che futuri laboratori di neutroni basati su laser potrebbero eseguire studi dettagliati di reazioni nucleari—inclusi isotopi radioattivi a vita breve—in spazi ridotti e con impulsi straordinariamente brevi, aprendo nuove opportunità nella fisica nucleare, nell’astrofisica e nelle scienze applicate.

Citazione: 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

Parole chiave: sorgente di neutroni guidata da laser, tempo di volo di neutroni veloci, laser petawatt, rilevatore al diamante, studi di reazioni nucleari