Limitations of post accelerating ion beams using the snowplow field in a near-critical density target

تخيل عالماً يمكننا فيه بناء مسرعات جسيمات بحجم علبة أحذية بدلاً من مدينة كاملة. هذا هو حلم العلماء الذين يعملون مع "مسرعات الليزر والبلازما". فبدلاً من استخدام مغناطيسات ضخمة ومكلفة لدفع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء، يستخدمون أشعة ليزر قوية للغاية لإنشاء موجة في سحابة من الغاز (البلازما)، تماماً مثل راكب أمواج يركب موجة. الهدف هو الإمساك بهذه الأمواج وركوبها للوصول إلى طاقات عالية بما يكفي لعلاج الأمراض، أو فحص المواد، أو حتى كشف أسرار الكون. لكن هناك عقبة: بينما تجيد هذه الموجات الليزرية تحريك الجسيمات بسرعة، فمن الصعب إبقاؤها على الموجة لفترة طويلة بما يكفي للوصول إلى سرعات "نسبية" حقاً (السرعات التي تبدأ عندها حتى الزمان نفسه بالتباطؤ بالنسبة للجسيم). لقد حاول العلماء جاهدين معرفة كيفية منح هذه الجسيمات دفعة ثانية، أو "دفعة المرحلة الثانية"، للوصول إلى خط النهاية.

يستكشف هذا البحث فكرة محددة لتلك الدفعة الثانية، باستخدام مفهوم يُسمى تأثير "المكنسة الثلجية" (snowplow). تخيل مكنسة ثلجية ضخمة تزيح طريقاً؛ فهي تدفع كومة هائلة من الثلج أمامها. في هذه النسخة العلمية، يعمل ليزر فائق القوة كمكنسة، يدفع جداراً من الجسيمات المشحونة (البلازما) أمامه. إذا تمكنت من جعل شعاع من البروتونات (جسيمات صغيرة وثقيلة) يركب مباشرة أمام هذا الجدار المدفوع بالليزر، فإن الجدار سيقوم بدفعها بشكل أسرع فأسرع. أراد الباحثون معرفة: هل يمكن لطريقة "المكنسة الثلجية" هذه أن ترفع شعاعاً من البروتونات إلى الطاقات الهائلة المطلوبة للجيل القادم من العلوم؟ لقد استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لاختبار ذلك، لتعمل بمثابة مختبر افتراضي لمعرفة ما إذا كانت الفيزياء تدعم هذا الأمر.

مشكلة المكنسة الثلجية: نَفَسٌ ثانٍ للبروتونات

تبدأ القصة بمشكلة. نحن نعرف كيف نستخدم الليزر لإنشاء مجال "مكنسة ثلجية" في نوع خاص من الأهداف الغازية (تسمى "الكثافة القريبة من الحرجة"، وهي مجرد طريقة منمقة للقول إن الغاز كثيف بما يكفي ليكون صعباً ولكن ليس كثيفاً جداً لدرجة تعيق الضوء). هذا المجال قوي للغاية ويتحرك بسرعة كبيرة. الفكرة بسيطة: إذا كان لديك شعاع من البروتونات قد تلقى بالفعل دفعة صغيرة من ليزر أول، يمكنك إطلاقها نحو هدف ثانٍ. هناك، يقوم ليزر ثانٍ، أكثر قوة، بإنشاء جدار مكنسة ثلجية. إذا كانت البروتونات في المكان الصحيح، فسيتم كنسها بواسطة هذا الجدار وتكتسب كمية هائلة من الطاقة، ومن المحتمل أن تصل إلى مليارات الإلكترون فولت (GeV).

قرر مؤلفو هذا البحث اختبار فكرة "المرحلتين" هذه. لم يبنوا آلة ضخمة؛ بل بنوا نموذجاً حاسوبياً دقيقاً. لقد قاموا بمحاكاة سيناريو حيث تم حقن شعاع من البروتونات، التي تتحرك بالفعل بسرعات عالية (تصل إلى 2 جيجا إلكترون فولت)، في مرحلة ثانية. تميزت هذه المرحلة الثانية بهدف ذي كثافة قريبة من الحرجة ضُرب بنبضة ليزر ضخمة (بطاقة تتراوح بين 200 و500 جول). راقبوا ليروا ما إذا كان مجال "المكنسة الثلجية" الناتج عن الليزر يمكنه اللحاق بهذه البروتونات ومنحها دفعة طاقة كبيرة.

الرحلة: ركوب الموجة

كشفت عمليات المحاكاة أن تأثير المكنسة الثلجية يعمل بالفعل، ولكنه انتقائي للغاية بشأن من يُسمح له بالركوب. فكر في جدار المكنسة الثلجية كقطار متحرك. إذا كنت تركض أبطأ من القطار وصعدت من الأمام، فإن القطار سيدفعك، فتزداد سرعتك. أما إذا كنت تركض أسرع من القطار، فستمر بجانبه بسرعة دون أن تحصل على أي دفعة.

وجد الباحثون أن البروتونات يجب أن تكون في "منطقة ذهبية" محددة جداً للحصول على الدفعة.

• سريعة جداً: إذا كانت البروتونات تتحرك بسرعة كبيرة جداً، فستتجاوز جدار المكنسة الثلجية فوراً وتفقد عملية التسارع بالكامل.
• مثالية تماماً: كانت النقطة المثالية للبروتونات التي تتحرك أبطأ قليلاً من جدار المكنسة الثهلجية نفسه. هذه البروتونات تم "حبسها" أمام الجدار، ومع دفع الجدار لها، اكتسبت طاقة هائلة. في أفضل عمليات المحاكاة، اكتسبت هذه البروتونات المحظوظة حوالي 2.2 جيجا إلكترون فولت من الطاقة، لتصل سرعتها النهائية إلى ما يعادل 2.5 جيجا إلكترون فولت تقريباً.

والأهم من ذلك، وجدت الدراسة أن السرعات الأولية المنخفضة تؤدي في الواقع إلى سرعات نهائية أعلى. فالبروتونات التي بدأت بطاقات أقل تم عكسها بفعالية بواسطة الواجهة المتحركة بين الليزر والبلازما (التي تعمل كمرآة نسبية)، مما سمح لها بالبقاء في مجال التسارع لفترة أطول واكتساب أكبر قدر من الطاقة. وعلى العكس من ذلك، فإن البروتونات التي كانت سريعة جداً انزلقت عبر المجال بسرعة كبيرة مما منعها من اكتساب الكثير من الطاقة.

ومع ذلك، كانت هناك عقبة رئيسية. يشير البحث صراحة إلى أنه بينما يعد توسيع نطاق هذه الطريقة للوصول إلى طاقات هائلة (10 أو 100 جيجا إلكترون فولت) أمراً صعباً للغاية، إلا أنه لا يُعتبر مستحيلاً بشكل قطعي. والسبب يكمن في سرعة المكنسة الثثلجية نفسها. فنبضة الليزر تفقد طاقتها بسرعة كبيرة أثناء دفعها عبر الهدف الغازي الكثيف. ولأن الليزر ينفد منه الوقود بسرعة، فإن "الجدار" الذي تنشئه لا يتحرك بنفس سرعة شعاع الليزر نفسه. كلما كان الجدار أسرع، زادت الطاقة التي يمكن للبروتونات اكتسابها. ولكن عمليات المحاكاة أظهرت أنه حتى مع وجود ليزرات ضخمة (من فئة الـ "بيتا-واط" المتعددة)، فإن سرعة الجدار تظل محدودة.

الحكم النهائي: معزز جيد، ولكن ليس عصا سحرية

يخلص البحث إلى أنه على الرغم من أن طريقة المكنسة الثلجية هي وسيلة واعدة لمنح البروتونات "نفساً ثانياً"، إلا أن لها حدوداً قاسية. وجد المؤلفون أن زيادة كثافة الهدف الغازي تجعل التسارع أسوأ لأن الليزر يفقد طاقته بسرعة أكبر، مما يؤدي لإبطاء جدار المكنسة الثلجية. كما وجدوا أن مجرد جعل الليزر أكثر قوة يساعد، ولكن إلى حد معين فقط. فالعلاقة بين قوة الليزر وسرعة المكنسة الثلجية ضعيفة؛ إذ إن مضاعفة قوة الليزر لا تؤدي لمضاعفة سرعة الجدار.

إذاً، ماذا يعني هذا للمستقبل؟ يقترح المؤلفون أن هذا الإعداد المكون من مرحلتين يمكن أن يكون "حاقناً" (injector) أو "معززاً" (booster) مفيداً جداً لآلة أكبر. يمكنه أخذ شعاع من البروتونات ومنحه دفعة قوية، ليصل به مثلاً إلى بضعة جيجا إلكترون فولت. ولكن إذا أردت الوصول إلى "الهدف الأسمى" المتمثل في 10 أو 100 جيجا إلكترون فولت، فإن خدعة المكنسة الثلجية هذه تواجه عقبات هائلة. تكمن المشكلة في فيزياء فقدان الليزر لطاقته في الهدف الغازي، مما يضع سقفاً لسرعة الجدار، مما يجعل الطريق نحو تلك الطاقات القصوى صعباً للغاية ويتطلب على الأرجال نهجاً مختلفاً تماماً.

باختصار، المكنسة الثلجية هي آلية حقيقية وعاملة يمكنها رفع طاقة البروتونات إلى مستويات "متعددة الجيجا إلكترون فولت" في المحاكاة الحاسوبية. لكنها ليست عصا سحرية ستحل جميع مشاكل التسارع لدينا فوراً. إنها أداة قوية تعمل بشكل أفضل في ظل ظروف محددة جداً، وبينما يمكنها إيصالنا لجزء من الطريق نحو السرعات النسبية، فإن قطع بقية الطريق سيتطلب على الأرجح نهجاً مختلفاً تماماً. إن الرحلة نحو مسرع الجسيمات النهائي لا تزال عملاً مستمراً، لكن هذه الدراسة تساعدنا على فهم أين تقع العثرات في الطريق بالضبط.