Studio analitico e numerico di solitoni elettromagnetici relativistici nei plasmi

The development of laser technology has led to the exploration of new ways of interaction with matter, particularly with plasmas, in which non-linear and relativistic aspects assume a key role. The theoretical description of these phenomena, other than being of fundamental interest, is also very relevant relating to many achievable applications. Among these, one of the most interesting field in laser-plasma interaction is the inertial confinement fusion. In this context, many studies showed how in plasma particular electromagnetic structures could be formed, characterized by a spatial localized concentration of electromagnetic energy, because of instability due to non-linear effects of interaction with high intensity laser pulse. These structures are called Electromagnetic Solitons. Electromagnetic solitons have a central role because a fraction of laser pulse energy, interacting with plasma, is accumulated inside them. Furthermore, it is observed that inside these structures electrostatic fields of very high intensity (of the order of GV/cm) can be established. Therefore, it is clear why electromagnetic solitons are very interesting with regards to possible applications in charged particles acceleration. The theoretical description of these electromagnetic structures represents a developing research topic still today. The aim of this thesis is devoted to the development of analytical and numerical descriptions of electromagnetic solitons. On the one hand an analytical kinetic model, that satisfactorily describes these structures, is developed. On the other hand, a numerical analysis about dynamics and stability of electromagnetic solitons is pursued, making use of Particle-In-Cell kinetic codes.

Lo sviluppo della tecnologia laser ha portato all'esplorazione di regimi di interazione con la materia, e in particolare con i plasmi, nei quali gli aspetti non-lineari e relativistici rivestono un ruolo determinante. La descrizione teorica di questi fenomeni, oltre che per un interesse fondamentale, è di grande rilevanza anche in relazione alle numerose possibili applicazioni. Tra queste, uno degli ambiti di maggior interesse per lo studio dell'interazione tra laser e plasma è la fusione a confinamento inerziale. In questo contesto, numerosi studi hanno mostrato come nel plasma possano formarsi particolari strutture elettromagnetiche a causa di instabilità dovute agli effetti non lineari dell'interazione con un impulso laser di elevata intensità. Queste strutture, caratterizzate da una concentrazione spazialmente localizzata di energia elettromagnetica, sono chiamate Solitoni Elettromagnetici. I solitoni elettromagnetici ricoprono un ruolo di particolare importanza poiché in essi viene immagazzinata parte dell'energia del laser che interagisce con il plasma. Inoltre, si è osservato che al loro interno possono instaurarsi campi elettrostatici molto intensi (anche dell'ordine del GV/cm). Risulta quindi chiaro come i solitoni elettromagnetici siano di notevole interesse anche per possibili applicazioni nell'ambito dell'accelerazione di particelle cariche. La descrizione teorica di queste strutture elettromagnetiche costituisce ancora oggi un argomento di ricerca in piena evoluzione. Scopo del seguente lavoro di tesi è lo sviluppo di descrizioni analitiche e numeriche dei solitoni elettromagnetici. Viene innanzitutto sviluppato un modello analitico di tipo cinetico in grado di descrive in modo soddisfacente tali strutture. In seguito viene condotta un'analisi numerica sulla dinamica e sulla stabilità dei solitoni elettromagnetici, tramite l'utilizzo di codici cinetici di tipo Particle-In-Cell.