Kết quả của cuộc nghiên cứu có tầm quan trọng lớn đối với y học, đặc biệt đối với liệu pháp điều trị bằng proton — một phương pháp hiện đại điều trị các bệnh ung thư. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Scientific Reports.
Như được biết, hiện có ba phương pháp chính để điều trị ung thư: can thiệp bằng phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Liệu pháp xạ trị có nghĩa là chữa ung thư bằng bức xạ ion hoá để phá huỷ khối u, nhưng, liệu pháp này cũng tác động tiêu cực đến các mô khỏe mạnh xung quanh. Chính bởi vậy cần phải xác định đúng liều lượng bức xạ mà bệnh nhân có thể nhận, tức là hạn chế sức mạnh của chùm tia gamma được sử dụng trong xạ trị.
Về mặt này, phương pháp sử dụng proton là thuận lợi hơn. Nhờ khối lượng tương đối lớn, các proton tán xạ theo chiều ngang nhỏ, và mức độ phân tán của chúng trong các mô là rất nhỏ. Do đó, chùm proton có thể tập trung rất chính xác vào khối u mà không làm hư hại các mô khỏe mạnh xung quanh.
Nhưng, để nhận được các chùm proton, cần phải có máy gia tốc các hạt điện tích. Đây là một thiết bị rất đắt tiền có trọng lượng nhiều tấn. Ví dụ, máy synchrocyclotron tại Trung tâm điều trị Orsay (Pháp) nặng 900 tấn. Do đó, nhiều trường đại học trên thế giới đang phát triển những phương pháp khác để tạo ra các chùm hạt cực nhanh. Một phương pháp trong số đó dựa trên việc sử dụng máy gia tốc laser.
Máy gia tốc bằng laser các hạt điện tích là nhỏ gọn và rẻ hơn so với máy synchrotron hoặc cyclotron thông thường, nhưng, chất lượng chùm tia được tạo ra trên máy gia tốc bằng laser vẫn chưa đủ để điều trị vì các chùm proton có sự lây lan lớn về năng lượng. Hiện nay trong giới khoa học đang mở rộng cuộc đua thực sự về phát triển phương pháp mới gia tốc bằng laser: để nhận được chùm proton với năng lượng 100-200 meV và mức độ phân tán không quá vài phần trăm. Phát minh như vậy sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong y học laser.
Theo các nhà khoa học MEPhI, lý thuyết của họ sẽ giúp phát triển các phương pháp mới gia tốc bằng laser. "Trong cuộc nghiên cứu này chúng tôi đã dự đoán về mặt lý thuyết và đã chứng minh với sự giúp đỡ của mô phỏng số một hiệu ứng khá nghịch lý ở cái nhìn đầu tiên: lực ma sát bức xạ tác động lên các hạt tích điện đang phát ra sóng điện từ và có thể giúp gia tốc các hạt này", — Phó Giáo sư Evgeny Gelfer từ Khoa Vật lý lý thuyết hạt của Đại học MEPhI, chuyên gia của Viện Extreme Light Infrastructure Beamlines (Cộng hòa Séc) cho biết.
Trong các hệ thống cơ học thông thường, lực ma sát luôn dẫn đến mất động năng và giảm xóc chuyển động. Lực ma sát bức xạ được sắp xếp một cách đặc biệt — nó phát sinh nhờ việc năng lượng từ trường bên ngoài (trong trường hợp này là trường laser) biến thành lượng tử tần số rất cao. Đơn vị bơm năng lượng là electron. Trong quá trình chuyển năng lượng từ trường này sang trường khác, electron có thể giảm tốc độ hoặc gia tốc.
"Chúng tôi đã nghiên cứu sự lây lan của xung laser siêu mạnh trong khối plasma. Trong các điện trường với mức công suất từ một vài petawatts trở lên (1 PW = 1015 W, để so sánh, công suất của nhà máy điện lớn nhất thế giới — 22 500 MW, tức là nhỏ hơn khoảng 50 000 lần) các electron phát ra năng lượng mạnh đến mức, quá trình chuyển động của chúng phải được tính toán không chỉ bằng lực Lorentz mà cả bằng sức ma sát bức xạ — kết quả của vận tốc giật lùi trong bức xạ. Đặc biệt là vận tốc giật lùi trong bức xạ có thể là lớn hơn lực Lorentz. Chúng tôi đã chỉ ra rằng, hiện tượng các electron giật lùi do sự ma sát bức xạ trong mặt phẳng vuông góc với hướng truyền chùm tia laser cung cấp cho chúng khả năng tăng tốc mạnh về phía trước. Tức là thúc đẩy quá trình tách các điện tích trong khối plasma và tăng cường điện trường theo chiều dọc. Điện trường này làm gia tốc các ion, chính bởi vậy kết quả mà chúng tôi thu được giúp tạo ra chùm ion có chất lượng cao hơn", — ông Evgeny Gelfer giải thích.
