High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

لفهم العمل الموصوف هنا، يجب على المرء أولاً أن يستوعب التحدي الأساسي في فيزياء الجسيمات الحديثة: كيفية جعل الجسيمات المتناهية الصغر تتحرك بسرعة هائلة. لعقود من الزمن، استخدم العلماء آلات ضخمة، غالباً ما يبلغ طولها أميالاً، لدفع الإلكترونات إلى سرعات عالية. تستخدم هذه الآلات موجات راديوية لمنح الجسيمات دفعة قوية، لكن القوة التي يمكنها تطبيقها محدودة. فإذا حاولت الدفع بقوة كبيرة في مساحة قصيرة، فإن الآلة تتعطل أو تصبح غير فعالة. وقد أبقى هذا حجم هذه المسرعات وتكلفتها هائلين، مما حد من عدد مستخدميها وما يمكنهم القيام به.

يقدم نهج مختلف، يُعرف باسم "تسريع مجال ليزر الاستيقاظ" (laser wakefield acceleration)، طريقة لتقليص حجم هذه الآلات لتصبح بحجم غرفة. وبدلاً من الموجات الراديوية، يستخدم هذا الأسلوب نبضة مكثفة من ضوء الليزر يتم إطلاقها في غاز. الليزر قوي لدرجة أنه ينتزع الإلكترونات من ذرات الغاز، مما يؤدي إلى إنشاء بلازما. ومع تحرك نبضة الليزر عبر هذه البلازما، فإنها تدفع الإلكترونات جانباً، مما يخلق "أثراً" خلفها، تماماً مثل أثر القارب الذي يتحرك في الماء. يخلق هذا الأثر مجالاً كهربائياً قوياً يمكنه التقاط إلكترونات أخرى وتسريعها إلى سرعات عالية عبر مسافة قصرة جداً. والمفتاح لجعل هذا يعمل بشكل جيد هو الحفاظ على تركيز شعاع الليزر وقوته أثناء انتقاله عبر الغاز. فإذا تشتت الشعاع، يتوقف التسريع. ولفترة طويلة، كان الحفاظ على تركيز مثل هذا الشعاع القوي عبر مسافة طويلة أمراً صعباً وغير مستقر، وغالباً ما كان يتطلب تجهيزات معقدة يصعب صيانتها أو قد تتضرر بفعل الليزر نفسه.

لقد أثبت باحثون في منشأة "إيلي بيملاينز" (ELI Beamlines) في جمهورية التشيك، بالتعاون مع زملاء من جامعة ماريلاند، طريقة جديدة لحل مشكلة التركيز هذه. فقد بنوا إعداداً تجريبياً يستخدم المرايا فقط لتوجيه الليزر، متجنبين أي زجاج أو عدسات قد تتضرر أو تتشوه بفعل حرارة الشعاع القوي. ويكمن جوهر ابتكارهم في مخروط عاكس خاص، يسمى "الأكسيكون خارج المحور" (off-axis axicon)، والذي يساعد في تشكيل شعاع الليزر قبل دخوله إلى الغاز. سمح هذا الإعداد لهم بإنشاء قناة مستقرة في غاز الهيليوم، وهو بديل آمن وسهل التعامل معه مقارنة بالهيدروجين المستخدم غالباً في تجارب مماثلة.

في تجاربهم، أطلق الفريق نبضة ليزر مدتها 30 فيمتوثانية فقط — وهو مقياس زمني قصير جداً يصعب تخيله — تحمل طاقة قدرها 13 جول. قاموا بتقسيم هذه النبضة إلى جزأين: جزء واحد، وهو المحرك الرئيسي، تم تركيزه لتسريع الإلكترونات. والجزء الآخر تم تشكيله في نمط حلقي خاص لإنشاء قناة مسبقة التشكيل في غاز الهيليوم. عملت هذه القناة كأنبوب مجوف لنبضة الليزر الرئيسية، مما حافظ على تركيزها بإحكام أثناء انتقالها عبر الغاز. اختبر الباحثون هذا النظام عند سرعتين مختلفتين؛ ففي معدل أبطأ يبلغ 0.2 نبضة في الثانية، نجحوا في تسريع الإلكترونات إلى طاقات تصل إلى حوالي 5 مليارات إلكترون فولت. ويعد هذا إنجازاً كبيراً، حيث يظهر أن الطريقة يمكنها إنتاج حزم عالية الطاقة في مرحلة واحدة.

كما دفع الفريق النظام للعمل بمعدل أسرع بكثير يصل إلى 3.3 نبضة في الثانية. وبينما لم يقيسوا تسريع الإلكترونات عند هذه السرعة العالية بنفس الطريقة، فقد أثبتوا أن شعاع الليزر يمكن توجيهه باستقرار عبر قناة البلازما لفترات طويلة دون أن يتدهور النظام. وهذه خطوة حاسمة نحو جعل هذه المسرعات عملية للاستخدام اليومي، حيث تعني معدلات التكرار الأعلى الحصول على المزيد من البيانات والحزم الأكثر فائدة. وكان استخدام الهيليوم خياراً متعمداً؛ فخلافاً للهيدروجين، الذي يعد قابلاً للاشتعال ويتطلب تعاملاً حذراً، فإن الهيليوم غاز خامل وأكثر أماناً للعمل به في منشأة تعمل بشكل مستمر.

تظهر النتائج أن هذا النهج القائم على الانعكاس بالكامل هو نهج متين. فمن خلال استخدام المرايا بدلاً من العدسات، تجنب الباحثون التشوهات الحرارية التي غالباً ما تعاني منها أنظمة الليزر عالية القدرة. ووجدوا أن حزم الإلكترونات المنتجة كانت مستقرة في اتجاهها وذات تشتت منخفض، مما يعني أن الجسيمات ظلت متماسكة في حزمة ضيقة. وصلت طاقة الإلكترونات إلى 5 مليارات إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع ما تتنبأ به النظرية لهذه الظروف. وأشار الفريق إلى أن العملية اعتمدت على توقيت محدد بين نبضتي الليزر لإنشاء القناة قبل وصول النبضة الرئيسية مباشرة، وهو توازن دقيق تمكن نظامهم من الحفاظ عليه نبضة تلو الأخرى.

لا يدعي هذا العمل أنه قد حل كل مشكلة في تسريع الجسيمات، ولكنه يوفر مساراً واضحاً للمضي قدماً. فالطريقة بسيطة بما يكفي بحيث لا تتطلب تغييرات كبرى في مرافق الليزر الموجودة، مما يجعلها متاحة لمراكز الأبحاث الأخرى لاعتمادها. ومن خلال إثبات أن التسريع المستقر عالي الطاقة ممكن باستخدام غاز آمن وتجهيزات بصرية متينة، أزال الباحثون عدة عوائق كانت تعيق هذه التكنولوجيا. وتشير النتائج إلى أن المسرعات المستقبلية يمكن بناؤها لتكون أصغر حجماً، وأكثر أماناً، وأكثر موثوقية، مما يفتح الباب أمام تطبيقات جديدة في الطب وعلوم المواد، فضلاً عن المزيد من الاكتشافات في الفيزياء الأساسية. إن نجاح هذه التجربة لا يكمن في اختراق دراماتيكي واحد، بل في الإثبات المستمر بأن مشكلة صعبة يمكن حلها بتصميم بسيط ومتين.