Measurement of directional muon beams generated at the Berkeley Lab Laser Accelerator

تخيل أنك تحاول التقاط صورة لقلعة قديمة وعملاقة، لكن لا يمكنك تحريك القلعة، وليس لديك مصباح يدوي قوي بما يكفي للرؤية عبر جدرانها الحجرية السميكة. في عالم الفيزياء، يستخدم العلماء نوعًا خاصًا من "الجسيمات الشبحية" يسمى الميون (muon) لحل هذا اللغز. الميونات هي مثل رسل كونيين يهطلون على الأرض من الفضاء. إنها ثقيلة، وسريعة، وقوية للغاية، قادرة على اختراق الجبال والصلب دون توقف. ولأنها نافذة للغاية، يستخدمها العلماء لالتقاط صور لأشياء مخفية، مثل داخل بركان أو الغرف السرية داخل الهرم. تُسمى هذه التقنية "الميوجرافيا" (muography).

ومع ذلك، هناك عقبة: الميونات القادمة من الفضاء تشبه رذاذًا خفيفًا ومستمرًا. فهي تصل ببطء وعشوائية، لذا للحصول على صورة واضحة لجسم كبير، قد يتعين عليك الانتظار لشهور أو حتى سنوات حتى تمر مجموعة كافية منها وتصطدم بجهاز الكشف الخاص بك. الأمر يشبه محاولة ملء دلو بقطرة ماء واحدة كل ساعة. ولجعل هذه العملية أسرع وأكثر عملية، بحث العلماء عن طريقة لإنشاء "مطر ميونات" خاص بهم مباشرة في المختبر، باستخدام ليزرات قوية تطلق شعاعًا مركزًا من هذه الجسيمات عند الطلب. وهذا هو التحدي الذي عالجته دراسة جديدة من مختبر لورانس بيركلي الوطني.

مصنع الميونات المدعوم بالليزر

في هذا العمل الجديد والمثير، نجح فريق من الباحثين في منشأة "بيلا" (BELLA) لمسرع الليزر التابعة لمختبر بيركلي في إثبات كيفية إنشاء شعاع اتجاهي من الميونات باستخدام ليزر عالي القدرة. فكر في إعدادهم كأنه مقلاع للجسيمات. لقد أطلقوا نبضة ليزر هائلة، تستمر لحوالي 40 فيمتوثانية فقط (أي 0.00000000000004 ثانية!)، في تيار من غاز الهيدروجين. عمل هذا التفاعل مثل الموجة في المحيط، حيث أنشأ "موجة بلازما" أمسكت بالإلكترونات وسرّعتها إلى سرعات مذهلة، لتصل طاقتها إلى 9.2 جيجا إلكترون فولت (GeV).

بمجرد أن أصبحت هذه الإلكترونات فائقة السرعة جاهزة، لم يتركها الفريق تطير في الفضاء فحسب، بل وجهوا الشعاع نحو كتلة ضخمة من مواد الحماية — وهي في الأساس جدار عملاق مصنوع من الرصاص والصلب والخرسانة. وعندما اصطدمت الإلكترونات عالية السرعة بهذا الجدار، لم تتوقف فحسب؛ بل أحدثت تفاعلًا متسلسلًا. أدى هذا التصادم إلى خلق سيل من الجسيمات الجديدة، بما في ذلك الميونات التي كان العلماء يبحثون عنها.

رحلة البحث عن الميونات: العثور على الأشباح

قام الفريق بإعداد "فخهم" في غرفة خلف الجدار الخرساني السميك. استخدموا كواشف خاصة تسمى "الومضات" (scintillators) — وهي ألواح بلاستيكية تتوهج عندما يصطدم بها جسيم ما. ولكن الجزء الصعب هنا هو أن الغرفة كانت مليئة أيضًا بعاصفة فوضوية من الجسيمات الأخرى (مثل الفوتونات والإلكترونات) التي تصل فور إطلاق الليزر. فإذا بحث العلماء فقط عن ومضة ضوء، فسيشاهدون فوضى عارمة ولن يعرفوا ما إذا كان هناك ميون أم لا.

لذا، استخدم الباحثون حيلة ذكية تعتمد على الوقت. فقد علموا أنه بينما تمر معظم الجسيمات عبر الكواشف بسرعة فائقة، فإن بعض الميونات تكون بطيئة بما يكفي لتتعلق في البلاستيك. وبمجرد أن تتعلق، تعيش هذه الميونات لفترة وجيزة جدًا (حوالي 2.2 ميكروثانية) قبل أن تتحلل إلى إلكترون ودفقة من الضوء. ومن خلال انتظار هذا "الإشارة المتأخرة"، استطاع الفريق تصفية الضجيج والقول بثقة: "آها! لقد أمسكنا بميون!"

ما وجدوه: تياران مختلفان من الميونات

كشفت التجربة شيئًا رائعًا: لم تكن الميونات تأتي جميعها من نفس المكان أو تتصرف بنفس الطريقة. حدد الفريق "تيارين" متميزين من الميونات، تمامًا مثل العثور على نوعين مختلفين من الأسماك في النهر.

1. التيار الاتجاهي (القناص): بعض الميونات وُلدت داخل كتلة الرصاص الثقيلة الخاصة بتفريغ الشعاع. تم إنتاج هذه الميونات من خلال عملية تسمى "إنتاج الزوج"، حيث تتحول الفوتونات عالية الطاقة مباشرة إلى ميون وميون مضاد. كانت هذه الميونات مثل القناصين: كانت عالية الطاقة، وتتحرك في خط مستقيم وضيق، وتستمر في نفس اتجاه شعاع الإلكترونات الأصلي. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الميونات كانت محصورة داخل مخروط ضيق يبلغ حوالي 100 ميلي راديان.

2. التيار المشتت (الحشد): جاءت الميونات الأخرى من مصدر مختلف. فبينما كان شعاع الإلكترونات يتحرك نحو كتلة التفريغ، احتك بأجزاء معدنية أخرى من الآلة (مثل المطياف المغناطيسي). أدت هذه التفاعلات إلى خلق جسيمات قصيرة العمر تسمى "الميزونات"، والتي تحللت بعد ذلك إلى ميونات. كانت هذه الميونات مثل حشد مشتت؛ لم يكن لها اتجاه قوي وانتشرت في جميع الزوايا. كما كانت ذات طاقة أقل ووُجدت غالبًا بعيدًا عن مركز الشعاع.

أكدت البيانات هذا الانقسام. فعندما وُضعت الكواشف في مسار الشعاع مباشرة ("على المحور")، التقطت عددًا قليلًا جدًا من الميونات (حوالي 1.9% من الطلقات). ولكن عندما حركوا الكواشف مترًا واحدًا إلى الجانب ("خارج المحور")، ارتفع العدد بشكل كبير (حوالي 14.4% من الطلقات). أثبت هذا أن "الحشد المشتت" من ميونات تحلل الميزونات كان يهيمن على المنطقة البعيدة عن الشعاع، بينما ظل ميونات "القناص" مركزة بدقة بالقرب من المركز.

لماذا يهم هذا الأمر؟

استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية (بناءً على مجموعة أدوات Geant4) لنمذجة ما كان يحدث بالضبط. طابقت هذه المحاكاة قياساتهم في العالم الحقيقي بشكل شبه مثالي، مما منحهم ثقة عالية في نتائجهم. وجدوا أن مصدر الميونات المدفوع بالليزر يمكنه إنتاج الميونات بمعدل أعلى بمراتب عشرية من المطر الطبيعي للميونات الكونية.

بينما استخدم الإعداد الحالي دروع المختبر الموجودة لتوليد الميونات، يقترح الفريق أنه في المستقبل، يمكننا تصميم أهداف متخصصة لجعل هذه العملية أكثر كفاءة. إذا تمكنا من بناء أنظمة ليزر تطلق الأشعة بشكل أسرع (مثل آلاف المرات في الثانية بدلًا من مرة واحدة فقط في الثانية)، فيمكننا توليد ما يكفي من الميونات لمسح الأجسام الكبيرة — مثل بركان أو مفاعل نووي — في دقائق معدودة بدلًا من شهور.

هذه الورقة البحثية لا تقترح فقط أن مصادر الميونات المدفوعة بالليزر ممكنة، بل تثبت أنها تعمل. إنها تظهر أننا نستطيع إنشاء شعاع مدمج واتجاهي من هذه الجسيمات الشبحية مباشرة في المختبر، مما يفتح الباب أمام عصر جديد من التصوير عالي الدقة والسريع الذي لا يعتمد على انتظار الكون ليرسل لنا هدية. ويخلص المؤلفون إلى أنه مع إجراء المزيد من التحسينات، مثل استخدام مراحل متعددة من مسرعات الليزر للوصول إلى طاقات أعلى، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تُحدث ثورة في كيفية رؤيتنا للعالم الخفي من حولنا.