هل بإمكاننا خلق المادة المضادة من الليزر؟
دراسة جديدة تحاول الإجابة

قادت التطورات الكبيرة في تكنولوجيا الليزر إلى دراسات جديدة حول استعمال تفاعلات الليزر-المادة في مستويات فائقة الكثافة. فبواسطة تكثيف نبضات ليزر عالية الطاقة يتم إنتاج حقول كهربائيَّة بصفة روتينيَّة، وقريبًا ستكون كثيفة بما فيه الكفاية من أجل خلق المادة من الضوء.

اليوم، طرح فريق بحثٍ من معهد الفيزياء التطبيقية من الأكاديميَّة الروسية للعلوم (IAP RAS) حسابات مُثيرة للاهتمام لشرح إنتاج وديناميَّة الإلكترونات والبوزيترونات من تفاعلات الليزر-المادة فائقة الكثافة. بلغة أخرى: لقد توصلوا إلى حسابات تشرح كيفيَّة خلق المادة والمادة المضادة عبر الليزر.

الحقول الكهربائيَّة القويَّة تقود الإلكترونات لخسارة حجم هائل من الإشعاعات لأنَّ جزءًا كبيرًا من طاقتها تتحوَّل إلى أشعة جاما (فوتونات عالية الطاقة)، وهي الجسيمات التي تشكّل الضوء. الطاقة العالية التي تنتجها الفوتونات عبر هذه العمليَّة تتفاعل مع حقل الليزر القويّ لخلق أزواج إلكترون-بوزيترون. وكنتيجةٍ لذلك، تظهر حالة جديدة للمادة: جسيمات عالية التفاعل، حقول بصريَّة وأشعة جاما، والتي يتحكم في ديناميّتها التفاعل بين الظاهرة الفيزيائيَّة الكلاسيكيَّة والعمليَّات الكموميَّة.

وقد اعتمد فريق البحث في عملهم على توقع في الكهروديناميكا الكمية (QED)، الذي يقول أنَّ: “الحقل الكهربائي القوي بإمكانه بصفة عامة، غليُ الفراغ، الذي هو مليء بجسيمات افتراضيَّة مثل أزواج الإلكترون-بوزيترون”. وفي هذا الصدد يشرحُ إيجور كوستيوكوف (Igor Kostyukov) العمليَّة قائلًا: “بإمكان الحقل تحويل هذه الأنواع من الجسيمات من حالة افتراضيَّة، تكون فيها الجسيمات غير قابلة للملاحظة، إلى حالة حقيقيَّة”.

من المظاهر المثيرة للدهشة لهذا النوع من ظاهرة الكهروديناميكا الكمية، ما يمكن تسميتهُ بشلال الكهروديناميكا الكمية المكتفي ذاتيَّا المدفوع بالليزر (QED cascade)، وهو يمثل تحديًا كبيرًا من أجل مراقبته في مختبر.

لكن ما هو الـ (QED cascade)؟

يقول كوستيوكوف : “تخيَّل أنه عبارة عن سلسلة من التفاعلات حيث كل سلسلة ربط تحتوي على عمليَّات متسلسلة”. ويضيف في موضع آخر: “يبدأ الأمر بتسارع الإلكترونات والبوزيترونات في حقل الليزر. ويتبعه إنطلاق الفوتونات عالية الطاقة عبر تسارع الإلكترونات والبوزيترونات. بعد ذلك، ينتج انحلال الفوتونات عالية الطاقة أزواج إلكترون-بوزيترون، مما يقود إلى جيلٍ جديد من شلال الجسيمات. شلال الكهروديناميكا الكمية يقود إلى إنتاج غزير لفوتونات البلازما عالية الطاقة إلكترون-بوزيترون”.

قام الباحثون في هذا العمل باستكشاف تفاعل نبضات الليزر فائقة الكثافة مع رقاقة، عبر المحاكاة الرقميَّة. يواصل كوستيوكوف الحديث: “توقعنا إنتاج عدد كبير من الفوتونات عالية الطاقة، وأنَّ نسبة منهم ستضمحّل لإنتاج أزواج إلكترون-بوزيترون. مفاجئتنا الأولى كانت أنَّ البوزيترونات أنتجت عددًا أكبر بكثير من الفوتونات عالية الطاقة مقارنة بإلكترونات الرقاقة. ذلك قاد إلى نمو أسّي ــ نشط جدًّا ــ لعدد البوزيترونات، وهذا يعني أنَّه إذا ما قمنا بالكشف عن عدد أكبر من البوزيترونات في تجربة مماثلة يمكننا استنتاج أنَّ معظمها قد تم إنتاجه في شلال الكهروديناميكا الكمية.”

كما تمكَّن الفريق من ملاحظة هيكلٍ واضح لتوزيع البوزيترون في المحاكاة، بغض النظر عن بعض العشوائيَّة في عمليَّة إرسال وانحلال الفوتون.

يضيف: “عبر تحليل حركة البوزيترون في الحقول الكهرومغناطيسية على مقدمة الرقاقة، قمنا باكتشاف أن بعض خصائص الحركة تقوم بتنظيم توزيع البوزيترون وتقود إلى ظهور شكلٍ شبه حلزوني لوحظ في المحاكاة.”

اكتشافات فريق البحث لها أهميَّة جوهريَّة، يقول كوستيوكوف في هذا الصدد: “إنَّها تعرض رؤى جديدة لخصائص هذا النوع من التفاعلات” ليضيف: “التطبيقات العمليَّة الأخرى قد تتضمن تطوير أفكار متقدمة لـمصادر الليزر-بلازما للفوتونات عالية الطاقة والبوزيترونات التي تتفوق على المصادر الحديثة بشكل كبير.”

حتى الآن، قام الباحثون بالتركيز على المرحلة الرئيسيَّة للتفاعل حين تكون أزواج الإلكترون-بوزيترون المنتجة غير مؤثرة بشكل كبير على مصدر تفاعل الليزر.

ولفريق البحث نوايا مستقبليَّة من أجل التقدم في عملهم، يشرح كوستيوكوف ذلك: “لاحقًا، سنقوم باستكشاف المرحلة الغير خطيَّة، حيث تقوم بلازما الإلكترون-بوزيترون بتغيير التفاعل بشكل قويّ، كما سنحاول توسيع نتائجنا إلى إعدادات أكثر عاميَّة لتفاعلات الليزر-المادة وأنظمة أخرى للتفاعلات، بأخذ فئة أوسع من العوامل في عين الاعتبار”.

إعداد: وليد سايس
المصدر