Un’iniziativa USA‑Europa molto ambiziosa punta a creare sorgenti di luce coerente oltre i raggi X, esplorando la fisica quantistica assoluta

A metà giugno 2025, una sfida che pareva relegata alla fantascienza entra nella concreta dimensione della ricerca sperimentale: la possibilità di generare un gamma-ray laser, ovvero una sorgente coerente di raggi gamma.

Il progetto è guidato dall’Università di Rochester (New York) in collaborazione con ELI Beamlines in Repubblica Ceca e ha appena ottenuto un cospicuo finanziamento dalla National Science Foundation (NSF) statunitense.

L’obiettivo è ambizioso: dimostrare che è scientificamente possibile generare luce coerente nella regione gamma dello spettro elettromagnetico, una sfida che ha resistito a decenni di tentativi.

Con onde di energia milioni di volte superiori a quelle della luce visibile, i raggi gamma pongono problemi enormi di coerenza, di generazione e di gestione in laboratorio.

Se la missione avrà successo, gli scenari applicativi saranno rivoluzionari: imaging ultra-denso, creazione di antimateria, esplorazione di processi nucleari altrimenti invisibili.

“La possibilità di produrre raggi gamma coerenti sarebbe un salto paragonabile a quello che ha segnato l’invenzione del laser visibile e poi dei raggi X. Ma qui si tratta di creare una nuova forma di luce, con energia e precisione mai raggiunte”,

spiega Antonino Di Piazza, fisico teorico e professore all’Università di Rochester, nonché scienziato senior del Laboratorio per l’Energetica Laser del medesimo ateneo statunitense.

Quella coerenza quantistica oltre i limiti della luce visibile

Nel corso degli ultimi decenni, i fisici hanno spinto i limiti dei laser tradizionali verso lunghezze d’onda sempre più corte. Dopo il visibile, si è passati agli ultravioletti e infine ai raggi X.

In particolare, la tecnica dell’amplificazione a impulsi “chirpati” (CPA o Amplificazione di impulsi a spirale), sviluppata proprio a Rochester negli Anni 80, ha consentito di aumentare enormemente la potenza di picco dei laser, al punto da meritare il Premio Nobel per la Fisica nel 2018.

Ma produrre luce coerente ad altissima energia, come i raggi gamma, è tutta un’altra storia. I fotoni di questo tipo sono così energetici da rendere estremamente difficile mantenere la loro “fase” allineata, ovvero quella caratteristica che definisce la coerenza della luce. Quando questa proprietà manca, la luce perde capacità di interferenza e di focalizzazione, diventando meno utile per la ricerca o l’imaging.

Per affrontare questa difficoltà, il team americano-ceco Rochester-ELI utilizza un approccio fondato sulla quantum electrodynamics (QED), la teoria quantistica che descrive l’interazione tra fotoni ed elettroni.

“Molti gruppi hanno provato a creare raggi gamma coerenti”,

sottolinea ancora Antonino Di Piazza,

“ma noi lo facciamo usando una teoria completamente quantistica, senza semplificazioni classiche”.

Una rete transatlantica per la scienza della luce estrema

Questo progetto rappresenta anche un modello virtuoso di cooperazione scientifica tra Stati Uniti ed Europa. Da un lato, l’Università newyorchese di Rochester fornisce la potenza teorica e di calcolo; dall’altro, la ELI Beamlines di Dolní Břežany, una delle infrastrutture più avanzate al mondo per la luce estrema, consente la realizzazione sperimentale.

I primi test partiranno da configurazioni semplici, con uno o due elettroni, per poi passare a fasci densi capaci di emettere luce gamma coerente.

Il lavoro si inserisce nel filone internazionale che comprende anche lo SLAC National Accelerator Laboratory (California), il SACLA in Giappone e lo European XFEL in Germania, che già oggi producono raggi X coerenti. Tuttavia, nessuna di queste strutture è ancora riuscita a spingersi nella regione gamma con coerenza mantenuta.

Secondo il professoe Di Piazza,

“il nostro lavoro potrebbe contribuire in modo decisivo anche allo sviluppo del NSF OPAL, una nuova infrastruttura laser ad alta potenza in fase di progettazione presso Rochester, pensata come hub globale per la scienza dell’interazione luce-materia ad alte intensità”.

Antimateria, imaging e nuovi esperimenti nucleari

Un gamma-laser coerente non sarebbe soltanto una pietra miliare teorica, ma aprirebbe una gamma di applicazioni scientifiche e tecnologiche completamente nuove. In primo luogo, potrebbe essere impiegato per produrre antimateria in laboratorio in modo efficiente e controllato, attraverso processi di produzione coppia elettrone-positrone indotti da fotoni gamma.

In secondo luogo, renderebbe possibile studiare reazioni nucleari ultra-dense e visualizzare oggetti altrimenti opachi con una risoluzione senza precedenti. L’imaging tramite raggi gamma potrebbe superare di gran lunga le capacità attuali della tomografia a raggi X o dell’imaging neutronico.

Un altro aspetto fondamentale è la possibilità di testare le predizioni della QED in regimi finora inesplorati, come la formazione di cascata di coppie o i cosiddetti regimi supercritici, dove il vuoto stesso diventa instabile e genera particelle.

A oggi, questi fenomeni sono soltanto simulati. Ma con sorgenti coerenti e potenti, si potrebbe finalmente osservarli.

Dalla teoria alla macchina: OPAL e il laser del futuro

Il progetto OPAL (Optical Parametric Amplifier for Light), già finanziato dalla NSF, sarà il naturale proseguimento di questi studi. L’obiettivo è creare un’infrastruttura aperta e internazionale, in grado di ospitare esperimenti avanzati sulla luce estrema.

Con laser da 25 petaWatt, diagnostiche specializzate e ottiche ad ampia apertura, OPAL costituirà il cuore di un nuovo network chiamato X-lites, pensato per coordinare a livello globale le ricerche su laser, fotonica e fisica ad alta energia.

Tra gli esperimenti già previsti figurano: studio dei limiti di coerenza in QED; creazione controllata di antimateria; imaging ad altissima risoluzione di oggetti iperdensi; test dei modelli oltre il Modello Standard della fisica delle particelle.

Conclusioni: riscrivere le regole della luce e della materia

Il progetto del gamma-ray laser è ancora nella sua fase iniziale, ma i segnali sono promettenti. Grazie alla sinergia tra teoria e sperimentazione, e a un network scientifico internazionale all’avanguardia, la possibilità di creare una nuova forma di luce coerente non è più un sogno, ma una questione di tempo e precisione.

Se la squadra USA–Repubblica Ceca riuscirà nel proprio intento, non soltanto si aprirà una nuova finestra sull’universo quantistico, ma cambieranno anche i confini del possibile nella scienza applicata, nella sicurezza, nella medicina e nella fisica fondamentale. Una vera rivoluzione della luce, stavolta… alla massima energia.

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