Espectrometria por tempo de voo de nêutrons rápidos por evento único com uma fonte de nêutrons gerada por laser de petawatt

Por que explosões minúsculas de nêutrons importam

Os nêutrons, partículas sem carga no interior dos núcleos atômicos, são sondas poderosas da natureza e da tecnologia. Eles ajudam cientistas a entender como os elementos do universo foram formados, como reatores nucleares se comportam e como materiais avançados respondem à radiação. Contudo, as grandes máquinas tradicionalmente usadas para produzir feixes intensos de nêutrons — reatores de pesquisa e grandes aceleradores de partículas — são caras e cada vez mais raras. Este estudo explora uma opção muito diferente: usar um laser ultra‑potente para criar rajadas compactas e intensas de nêutrons rápidos e demonstra, pela primeira vez, que essas rajadas podem ser medidas uma interação de cada vez com alta precisão.

De máquinas gigantes a flashes sobre a mesa

Fontes convencionais de nêutrons dependem de longos túneis de aceleradores ou de reatores nucleares para gerar feixes que percorrem muitos metros — às vezes centenas — antes de atingirem um experimento. Seu tamanho e complexidade limitam o acesso e tornam as atualizações lentas. Em contraste, fontes de nêutrons acionadas por laser usam um laser de classe petawatt focalizado em uma pequena folha sólida. Os campos elétricos extremos do laser arrancam partículas da folha e aceleram principalmente prótons até dezenas de milhões de elétron‑volts em frações de trilionésimos de segundo. Quando esses prótons atingem um segundo alvo, chamado conversor ou captador, eles produzem uma rajada muito curta e intensa de nêutrons rápidos. Como o pulso inicial é tão breve, em princípio pode‑se usar um caminho de voo muito mais curto para medir as energias dos nêutrons, reduzindo todo o conjunto para um experimento do tamanho de uma sala.

Construindo um experimento compacto, porém limpo

Transformar essa ideia em uma ferramenta de precisão é desafiador. A interação com o laser não apenas gera prótons, mas também espalha elétrons, raios X, raios gama e ruído eletromagnético que podem facilmente encobrir detectores sensíveis. Detectores de nêutrons tradicionais neste campo geralmente medem apenas o sinal total de muitas partículas ao mesmo tempo, o que é suficiente para contar nêutrons, mas não para resolver reações individuais. Neste trabalho, a equipe construiu um arranjo enxuto em torno do laser petawatt DRACO em Dresden. Caracterizaram cuidadosamente o feixe de prótons acelerado pelo laser e outras partículas, e então usaram simulações computacionais detalhadas para projetar blindagens e posições dos detectores. Os nêutrons foram criados disparando os prótons contra blocos de cobre ou fluoreto de lítio. Um pequeno detector de diamante resistente à radiação foi colocado a apenas 1,5 metros — muito mais próximo do que em instalações padrão — para capturar nêutrons ao mesmo tempo em que os separava temporalmente do flash anterior de fótons.

Ouvindo os “cliques” de um único nêutron

O cerne do estudo é a capacidade de detectar eventos induzidos por um único nêutron em vez de apenas um borrão de muitos. O detector de diamante responde em menos de um bilionésimo de segundo e é relativamente insensível a raios gama, tornando‑o adequado a esse ambiente hostil. Mesmo assim, os sinais elétricos brutos eram inicialmente dominados pelo flash imediato de raios X e pelo ruído eletromagnético. Os pesquisadores registraram traços para cada disparo do laser e desenvolveram um método de análise dedicado para subtrair o padrão de ruído comum e procurar pequenos pulsos bem formados que chegavam mais tarde no tempo. Cada um desses pulsos corresponde a uma interação de nêutron dentro do diamante. Medindo o tempo de chegada de cada pulso relativo ao disparo do laser e usando o caminho de voo conhecido de 1,5 metro, eles converteram o tempo em energia do nêutron e construíram um espectro acumulando dados ao longo de centenas de disparos.

Separando sinal do fundo

Uma dificuldade chave foi distinguir nêutrons que vieram diretamente do alvo conversor daqueles que haviam se espalhado nas paredes ou em outros equipamentos. Para quantificar esse fundo, a equipe alternou medidas normais com execuções “sombreadas”, nas quais um bloco de material absorvente de nêutrons foi temporariamente colocado entre a fonte e o detector. Os sinais registrados nessa configuração sombreada provinham em grande parte de nêutrons espalhados e radiação residual. Usando uma abordagem estatística emprestada da astrofísica, combinaram os dois conjuntos de dados para subtrair o fundo e recuperar a contribuição direta dos nêutrons. Em seguida, corrigiram pela eficiência dependente da energia do detector — conhecida por simulações separadas — para obter o rendimento real de nêutrons em função da energia para ambos os materiais conversores e compararam o resultado com métodos independentes de contagem de nêutrons e com dois códigos de simulação principais.

O que os resultados nos dizem

O experimento mostrou que uma fonte acionada por laser de petawatt pode produzir de forma confiável da ordem de cem milhões de nêutrons rápidos por disparo acima de um milhão de elétron‑volts, e que eventos individuais de nêutrons podem ser registrados de forma limpa a apenas 1,5 metro da fonte, apesar da intensa radiação de fundo. Os espectros de energia medidos concordaram com previsões computacionais e detectores convencionais dentro de dezenas de porcento, um forte acordo dado o ambiente desafiador e o número limitado de disparos. Quando comparada a instalações de aceleradores estabelecidas, a fonte gerada por laser oferece resolução de energia de nêutrons comparável em uma configuração muito mais compacta e número de nêutrons por pulso competitivo, com caminhos claros para melhoria conforme avançam lasers e alvos de alta repetição. Em termos práticos, essa prova de conceito mostra que futuros laboratórios de nêutrons baseados em laser poderiam realizar estudos detalhados de reações nucleares — inclusive em isótopos radioativos de curta vida — em espaços pequenos e com pulsos extraordinariamente curtos, abrindo novas oportunidades na física nuclear, astrofísica e ciências aplicadas.

Citação: 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

Palavras-chave: fonte de nêutrons gerada por laser, tempo de voo de nêutrons rápidos, laser de petawatt, detector de diamante, estudos de reações nucleares