The PUMA offline ion source beamline

في أعماق قلب الذرة، غالبًا ما تكون الحواف الخارجية هي الأماكن الأكثر غموضًا. فبينما يكتظ المركز بالبروتونات والنيوترونات بإحكام، يمكن للسطح نفسه أن يتمدد ليصبح سحابة رقيقة ومنتشرة. وفي بعض الذرات الثقيلة، تتكون هذه السحابة في الغالب من النيوترونات، مما يشكل "جلدًا" يغير سلوك النواة بأكملها. وفي حالات أخرى، وبالقرب من الحدود القصوى لما يمكن أن يوجد، قد تطفو بعض الجسيمات بعيدًا جدًا لدرجة أنها تشكل "هالة". إن فهم هذه الهياكل الدقيقة أمر بالغ الأهمية لأنها تحمل أدلة على القوى التي تربط المادة ببعضها البعض، وهي القوى التي تحكم أيضًا سلوك النجوم النيوترونية، وهي أكثر الأجسام كثافة في الكون. ولدراسة هذه الطبقات الخارجية، يحتاج العلماء إلى وسيلة لسبر حافة الذرة دون تدميرها. ويهدف تجربة "بوما" (PUMA)، الموجودة في مركز سيرن (CERN) بسويسرا، إلى القيام بذلك بالضبط عبر صدم بروتونات مضادة منخفضة الطاقة — وهي جسيمات من المادة المضادة — في أسطح النوى الذرية. فعندما يلتقي البروتون المضاد ببروتون أو نيوترون عند حافة النواة، يحدث فناء بينهما، ومن خلال دراسة الحطام، يمكن للعلماء رسم خريطة لكثافة السطح النووي.

ومع ذلك، هناك عقبة لوجستية كبيرة؛ فالمرفق الذي ينتج البروتونات المضادة منخفضة الطاقة بعيد عن المرفق الذي يولد الذرات المشعة اللازمة للتجربة. ولتجسير هذه الفجوة، يجب على فريق "بوما" نقل البروتونات المضادة إلى الذرات المشعة. وقبل أن يتمكنوا من محاولة هذه الرحلة المعقدة مع المواد المشعة غير المستقرة، يتعين عليهم أولاً إثبات نجاح تقنيتهم باستخدام ذرات مستقرة وآمنة. وهذا يتطلب آلة متخصصة يمكنها أخذ غاز خام، وتحويله إلى حزمة من الأيونات، ثم تنقيته لضمان وجود نوع واحد محدد فقط من الذرات، ومن ثم ضغطها في مجموعات ضيقة وباردة. فإذا فشلت هذه الآلة في تقديم حزمة نقية وكثيفة، فستضيع البروتونات المضادة الحساسة بسبب الضجيج الخلفي قبل أن تتمكن حتى من مقابلة هدفها.

لقد قام الباحثون الآن ببناء واختبار هذه الآلة الأساسية، والتي تسمى "مصدر الأيونات غير المتصل ببوما"، أو "بوليس" (POLIS). وهي عبارة عن نفق طويل محكم الإغلاق تحت تفريغ هوائي، يؤدي سلسلة من المهام الدقيقة. أولاً، تأخذ الآلة غازًا، مثل الكريبتون، وتستخدم تيارًا من الإلكترونات لانتزاع الإلكترونات من الذرات، مما يحولها إلى أيونات موجبة الشحنة، وهذا يخلق تيارًا مستمرًا من الجسيمات. ولجعل هذا التيار مفيدًا، تقوم الآلة بتقطيعه إلى حزم صغيرة، تمامًا مثل تقطيع حبل طويل إلى قطع قصيرة. تدخل هذه الحزم بعد ذلك إلى جهاز فرز ضخم عالي الدقة يُعرف باسم "مطياف كتلة زمن الطيران متعدد الانعكاسات". داخل هذا الجهاز، ترتد الأيونات ذهابًا وإيابًا بين مرايا كهربائية آلاف المرات. ولأن الأيونات الأثقل تتحرك ببطء طفيف مقارنة بالأيونات الأخف، فإن هذا الارتداد يسمح للآلة بفصلها بدقة متناهية، مما يؤدي إلى تصفية أي ذرات أو جزيئات غير مرغوب فيها حتى يتبقى فقط النظير المحدد الذي يريده العلماء.

بمجرد أن تصبح الحزمة نقية، تظل الأيونات تتحرك بسرعة كبيرة وتكون منتشرة للغاية بحيث لا يمكن التقاطها بواسطة مصيدة التخزين النهائية. لذا تقوم الآلة بإبطاء سرعتها وحقنها في "مبرد ومجمّع رباعي الأقطاب بتردد راديوي". يعمل هذا الجهاز مثل القمع، حيث يستخدم غازًا لطيفًا لإبطاء سرعة الأيونات وضغطها معًا في حزمة ضيقة وباردة. اختبر الفريق هذا النظام باستخدام نظائر الكريبتون المستقرة، وهي غازات خاملة ثقيلة. ووجدوا أنه من خلال تكرار عملية التقطيع والفرز والتكديس، يمكنهم تجميع أكثر من عشرة آلاف أيون في حزمة واحدة. وتعد هذه الكثافة أمراً حيوياً؛ فإذا كانت الحزمة ضعيفة للغاية، فسيتم طمس الإشارة الناتجة عن تصادمات البروتونات المضادة بسبب التصادمات العشوائية مع جزيئات الغاز المتبقية في غرفة الفراغ.

يتمثل التحدي الرئيسي في هذه العملية في الحفاظ على فراغ عالٍ للغاية. فالبروتونات المضادة حساسة للغاية لدرجة أن أي كمية ضئيلة من الغاز يمكن أن تؤدي إلى اختفائها. يجب أن تحافظ الآلة على الضغط عند نقطة الاتصال بخط البروتونات المضادة عند مستوى أفضل من خمسة في عشرة مرفوعة للقوة سالب العاشرة من الملي بار. ولتحقيق ذلك، كان على الفريق حل مشكلة معقدة: عملية التبريد تتطلب غازًا عازلًا، ولكن يجب ألا يتسرب هذا الغاز إلى منطقة الفراغ النهائية. لقد اختبروا غازات مختلفة، بما في ذلك الهيليوم والأرجون والنيتروجين، واكتشفوا أن النيتروجين كان الأفضل، حيث سمح لهم بالوصج إلى مستويات الفراغ المطلوبة مع تبريد الأيونات بفعالية في الوقت نفسه. كما وجدوا أن جودة إمدادات الغاز كانت مهمة للغاية؛ إذ إن استخدام نظام مصنوع بالكامل من مكونات معدنية، بدلاً من الأنابيب البلاستيكية، منع تراكم الملوثات التي قد تفسد شدة الحزمة.

تظهر النتائج النهائية أن الآلة جاهزة لمهمتها الحقيقية. فقد نجح الفريق في إنشاء حزم نقية من مختلف نظائر الكريبتون المستقرة، بما في ذلك الأنواع الأكثر ندرة، حيث احتوت كل حزمة على أكثر من عشرة آلاف أيون. كانت هذه الحزم متراصة للغاية لدرجة أن طولها قل عن ثلاثمائة نانو ثانية، مما يجعلها مثالية للحقن في مصيدة التخزين النهائية. وقد حافظ النظام على ضغط الفراغ المطلوب حتى أثناء تدفق غاز التبريد، مما أثبت أن التصميم يعزل بنجاح حزمة البروتونات المضادة الحساسة عن بقية الآلة. ومع اكتمال هذه الاختبارات، يتم الآن تجهيز الجهاز بأكمله للشحن إلى "سيرن". وبمجرد تركيبه، سيسمح للعلماء أخيرًا بإجراء تجارب البروتونات المضادة على النوى المستقرة، مما يمهد الطريق للهدف الأسمى: دراسة الحواف المنتشرة والغامضة للذرات المشعة التي توجد للحظة عابرة فقط.