في إنجاز مذهل، حطم الفيزيائيون الرقم القياسي العالمي في تسارع الجسيمات باستخدام مجال من البلازما ؛ إذ زادوا من تسارع حزم الإلكترونات من 0 إلى 7.8 مليار إلكترون فولت (GeV) في 20 سنتيمترًا فقط. يمثل هذا نحو ضعف الرقم السابق، وهو 4.2 GeV في 9 سنتيمترات، ما يدل على حدوث تقدم كبير في تقنية تسارع بلازما ويكفيلد.
تسارع بلازما ويكفيلد plasma wakefield acceleration هو تقنية تعجيل الجسيمات باستخدام مجال من الغاز المتأين ionized gas أو البلازما، وهو ما يتيح توليد طاقة أكبر، تصل إلى عشرات مليارات الإلكترون فولت لكل متر، بدلًا من التقنية السابقة التي تعتمد على الحقول الكهربية المتولدة عن موجات الراديو.
تعتبر مسرعات الجسيمات عالية الطاقة مهمة جدًا لفهمٍ أعمق للجسيمات التي يتكون منها كوننا، لكن تواجهها صعوبات كبيرة خاصةً في ما يتعلق بالحجم والتكلفة. يتكون مصادم هادرون الكبير The Large Hadron Collider (LHC) من أنبوب مفرغ مدفون تحت الأرض، يبلغ محيطه 26.7 كيلو مترًا.
على امتداد الأنبوب تتوزع غرف معدنية على مسافات محددة لتوليد موجات تردد راديو radiofrequency waves تمد الجسيمات المارة بالطاقة لتزيد من سرعتها، تولد كل غرفة مجال تسارع يقدر بـ 5 مليون فولت لكل متر (5 MV/m) للوصول إلى سرعة نهائية تقارب سرعة الضوء في الفراغ.
في العام الماضي، أعلن فيزيائيو المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية CERN أنهم باستخدام تقنية تسارع بلازما ويكفيلد المتطورة، تمكنوا من تحقيق تسارع يقدر بـ 200 مليون فولت لكل متر (200 MV/m)، أي نحو 2 GeV في 10 أمتار.
في هذه التقنية، تُستخدم نبضات الليزر لتوليد موجات بلازما في حقول كهرومغناطيسية electromagnetic fields أقوى آلاف المرات من حقول تردد الراديو radiofrequency fields. تمامًا كما في ركوب الأمواج، تكتسب الجسيمات الطاقة بينما «تركب» موجات البلازما.
للمزيد من التطوير، صمم فيزيائيو مختبر لورانس بيركلي الوطني Lawrence Berkeley National Laboratory دليلًا لموجات البلازما plasma waveguide، الذي يمكن استخدامه للحد من حيود الليزر في نبضات الليزر المركزة، ما يزيد من التسارع الناتج، وبالتالي الطاقة المكتسبة. كان هذا الإنجاز سببًا في تحقيق 4.2 GeV عام 2014، أما الآن فنحن بصدد المزيد من التطوير.
تنتج البلازما نتيجة تفريغ شحنة كهربية داخل أنبوب ياقوتي sapphire tube مملوء بالغاز، ثم تُستخدم نبضات ليزر «مسخنة» لاستخراج بعض الغاز من مركز البلازما، ما يؤدي إلى انخفاض الكثافة، وبالتالي تركيز شعاع الليزر.
تكون قناة البلازما قوية كفاية لاحتجاز نبضات الليزر على امتداد المسرّع. تولد نبضات الليزر اللاحقة موجات في البلازما، ثم «تركب» الإلكترونات الموجودة في البلازما الموجات عبر الأنبوب.
في التجربة السابقة، سببت كثافة البلازما ضياع تركيز الليزر على طول الأنبوب الشعري، ما أدى إلى تلف الأنبوب الياقوتي.
قال الفيزيائي أنتوني غونسالفيس Anthony Gonsalves من مختبر لورنس بيركلي الوطني: «لقد مكنا الإشعاع المسخن من التحكم في انتشار نبض الليزر الموجه. هدفنا في التجارب القادمة التحكم في دقة حقن الإلكترون في موجات البلازما؛ للحصول على كفاءة غير مسبوقة للإشعاع، ودمج عدة مراحل معًا للحصول على طاقة أعلى».
سيُقدم البحث في الاجتماع السنوي الحادي والستين لقسم فيزياء البلازما، ضمن تجمع الفيزياء الأمريكي APS، كما ظهر في خطابات المراجعة الفيزيائية في وقت سابق من هذا العام.
اقرأ أيضًا:
سيرن كشفت للتو عن خطط لمسرع جسيمات جديد ضخم جدا
استخدام الالكترونات للسيطرة على نبضات الليزر القصيرة
المترجم : الزهراء عمر
تدقيق: أكرم محيي الدين
