Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

في عالم الجسيمات دون الذرية الشاسع وغير المرئي، سعى العلماء منذ زمن طويل لإيجاد طريقة لإنشاء حزم قوية من الإلكترونات باستخدام الضوء نفسه. لعقود من الزمن، تضمنت الطريقة القياسية إطلاق ليزر في سحابة من الغاز لإنشاء موجة، تماماً مثل قارب يتحرك عبر الماء، والتي تقوم بعد ذلك بالإمساك بالإلكترونات وتسريعها إلى سرعات هائلة. هذه العملية، المعروفة باسم تسريع مجال الاستيقاظ بالليزر (laser-wakefield acceleration)، كانت أداة واعدة لتوليد جسيمات عالية الطاقة دون الحاجة إلى آلات ضخمة بحجم غرف كاملة. ومع ذلك، كان هناك تحدٍ مستمر يتمثل في الموازنة بين طاقة هذه الجسيمات والعدد الهائل منها؛ حيث تمكنت التجارب السابقة من إنتاج إما إلكترونات عالية الطاقة أو كمية كبيرة منها، ولكن نادراً ما حققت كليهما في آن واحد. وقد أبقى هذا القصور العديد من التطبيقات المحتملة، مثل إنشاء نبضات مكثفة من الأشعة السينية للتصوير الطبي أو دراسة الظروف القاسية الموجودة داخل النجوم، بعيدة المنال عن المختبرات الصغيرة.

لقد أثبت فريق من الباحثين في منشأة "ليزر ميغاجول" (Laser Mégajoule) في فرنسا الآن طريقة للتغلب على هذه المقايضة، من خلال توليد حزم إلكترونية غزيرة للغاية وعالية الطاقة في آن واحد. فباستخدام نبضة ليزر متخصلة وفائقة القوة تم تركيزها على نفث من غاز الهيليوم فائق السرعة، خلق العلماء بيئة فريدة عمل فيها آليتان مختلفتان للتسريع معاً. وكانت النتيجة حزمة من الإلكترونات تحمل شحنة إجمالية تتجاوز بكثير أي شيء تم تحقيقه سابقاً في هذا النوع من الإعدادات، حيث وصلت طاقة الجسيمات الفردية إلى 500 مليون إلكترون فولت. وعندما صُدمت هذه الإلكترونات بهدف معدني سميك، أنتجت ومضة من الأشعة السينية الصلبة كانت مكثفة لدرجة أنها حملت طاقة تعادل عدة جول في جزء من الثانية. يشير هذا الإنجاز إلى أن مصادر الجسيمات المدمجة وعالية القدرة بدأت تصبح حقيقة واقعة، مما يفتح أبواباً جديدة لسبر أغوار أكثر حالات المادة كثافة وإنشاء مصادر إشعاع ثانوية للدراسة العلمية المتقدمة.

أُجريت التجربة في "ليزر ميغاجول"، وهي منشأة ضخمة في فرنسا مصممة لدراسة فيزياء الكثافة العالية للطاقة. استخدم الباحثون نظام ليزر محدد يُسمى "بيتال" (PETAL)، والذي يطلق نبضة ضوئية تستمر لأقل من تريليون من الثانية ولكنها تحمل قوة تضاهد إنتاج محطة طاقة كبيرة. وبدلاً من ضرب كتلة صلبة من المعدن، تم تركيز الليزر في تيار من غاز الهيليوم يتحرك بسرعات تفوق سرعة الصوت. وبينما كان نبض الليزر المكثف ينتقل عبر هذا الغاز، قام بتجريد الإلكترونات من ذرات الهيليوم، مما خلق بلازما. قامت قوة الليزر الهائلة بدفع إلكترونات البلازما جانباً، مما خلق "أثراً" خلفها، يشبه الأثر الذي يتركه قارب سريع. وفي هذا الأثر، تشكلت مجالات كهربائية قوية، جاهزة للإمساك بأي إلكترونات حرة وتسريعها.

ما جعل هذه التجربة متميزة هو التوقيت والشدة المحدد لنبضة الليزر. فقد كانت النبضة طويلة بما يكفي، حيث استمرت حوالي 700 فيمتوثانية، لتتفاعل مع البلازما بطريقة معقدة. وبدلاً من مجرد دفع الإلكترونات في خط واحد منظم، بدأ نبض الليزر في التفكك والتذبذب أثناء تحركه عبر الغاز. هذا "التعديل الذاتي" خلق بيئة فوضوية ولكنها فعالة للغاية حيث حدث نوعان من التسريع في وقت واحد. الأول كان تسريع مجال الاستيقاظ التقليدي، حيث ركبت الإلكترونات موجة البلازما. والثاني كان تسريع الليزر المباشر، حيث أمسكت المجالات الكهربائية المتذبذبة للضوء الليزري بالإلكترونات واكتسبت الطاقة مباشرة منها. سمحت هذه المجموعة من القوى للباحثين باحتجاز وتسريع عدد هائل من الإلكترونات إلى سرعات نسبية، محققين شحنة إجمالية تزيد عن واحد ميكرو كولوم. وهذا رقم قياسي في هذا النوع من الأنظمة التي تعمل بالليزر، ويمثل أعلى شحنة تم تسجيلها لتسريع مجال استيقاظ الليزر حسب علم الباحثين.

لق($ياسروا ما صنعوه، وضع الفريق سلسلة من الكواشف في مسار حزمة الإلكترونات. استخدم أحد الأجهزة، الموجود على بعد ستة أمتار، مجالاً مغناطيسياً لثني الإلكترونات وفصلها حسب الطاقة، مما سمح للعلماء برؤية النطاق الكامل لسرعات الحزمة. ووجدوا أن الإلكترونات لديها توزيع واسع من الطاقات، مع وجود عدد كبير يصل إلى 500 ميجا إلكترون فولت. كما قام كاشف آخر، وُضع مباشرة في مسار الحزمة، بقياس العدد الإجمالي للإلكترونات. وأظهرت البيانات أن الحزمة تحمل شحنة قدرها 1.1 ميكرو كولوم، وهي قيمة لم يتم الوصول إليها من قبل في مسرع ليزر-بلازما. وقد أكد الباحثون هذه القياسات باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة نمذت التفاعلات بين الليزر والبلازما، مما أظهر أن النتائج التجريبية تطابقت مع توقعاتهم النظرية.

تجلت القوة الحقيقية لحزمة الإلكترونات هذه عندما وُجهت نحو مجموعة من الصفائح المعدنية المصنوعة من الإنديوم والحديد والزركونيوم. عندما اصطدمت الإلكترونات عالية السرعة بهذه المعادن الثقيلة، تباطأت بسرعة، مطلقة طاقتها في شكل ومضة من الأشعة السينية الصلبة. هذه العملية، المعروفة باسم "بريمسترالونج" (Bremsstrahlung)، حولت الطاقة الحركية للإلكترونات إلى حزمة فوتونات. كانت ومضة الأشعة السينية الناتجة مكثفة للغاية، حيث حملت طاقة إجمالية تبلغ حوالي 3.3 جول في نبضة أقصر من البيكو ثانية. ويمثل هذا كفاءة تحويل تقترب من اثنين بالمائة من طاقة الليزر إلى طاقة الأشعة السينية، وهو رقم يضاهي أو يتجاوز الأرقام القياسية السابقة. كانت الأشعة السينية المنتجة ذات طاقة كافية لاختراق المواد الكثيفة، مما يجعلها مناسبة لتقنيات التصوير المتقدمة.

تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على إنتاج حزم عالية الشحنة وعالية الطاقة في إطار مدمج. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال ضبط الليزر وهدف الغاز بعناقة، يمكنهم تسخير الطبيعة الفوضوية للبلازما لصالحهم بدلاً من محاربتها. إن حزمة الإلكترونات التي ولدوها ليست مجرد فضول علمي؛ بل هي أداة عملية. يمكن استخدام مثل هذه الحزم لإنشاء مصادر إشعاع ثانوية، مثل النيوترونات أو أشعة غاما، وهي ضرورية لأبحاث الفيزياء النووية ولدراسة سلوك المادة تحت الضغوط ودرجات الحرارة القصوى. علاوة على ذلك، فإن القدرة على توليد هذه الحزم باستخدام نظام ليزر متكامل في منشأة أكبر مثل "ليزر ميغاجول"، تعني أن العلماء يمكنهم الآن استخدام حزم الإلكترونات هذه لسبر أغوار المادة التي تم ضغطها وتسخينها بواسطة أشعة ليزر قوية أخرى، مما يوفر طريقة جديدة لدراسة فيزياء النجوم وقلوب الكواكب في المختبر.

كما أولى الفريق اهتماماً كبيراً لفهم كيفية توزيع الطاقة داخل الحزمة بدقة. وبينما أظهرت القياسات على المحور طاقة متوسطة عالية، كشفت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن الحزمة انتشرت بشكل كبير أثناء انتقالها. كانت الإلكترونات في مركز الحزمة هي الأكثر طاقة، بينما كانت تلك الموجودة على الحواف ذات طاقات أقل. ومن خلال حساب هذا الانتشار، حسب الباحثون أن الطاقة الإجمالية التي تحملها الحزمة بأكملها تبلغ حوالي 17 جول. هذا المنظور الشامل، الذي يجمع بين البيانات التجريبية والنمذجة المتطورة، أعطاهم صورة واضحة لخصائص الحزمة وأكد أن آلية التسريع كانت هجينة من العمليتين اللتين اشتبها بهما. ويشير نجاح هذه التجربة إلى أن التحسينات المستقبلية لنظام الليزر، مثل تحسين تركيز الحزمة، يمكن أن تدفع بكفاءات التحويل هذه إلى مستويات أعلى.

يمثل هذا الإنجاز خطوة للأمام في مجال تسريع الليزر-البلازما، مما يقربها من التطبيق العملي. إن القدرة على توليد حزم إلكترونية بمستوى الميكرو كولوم وأشعة سينية بـ "جول" متعددة في نبضة واحدة توفر قدرة جديدة للعلماء الذين يحتاجون إلى مصادر إشعاع مكثفة وقصيرة المدة. لقد أثبت الباحثون أن التفاعل المعقد بين تسريع مجال الاستيقاظ ذاتي التعديل وتسريع الليزر المباشر يمكن التحكم فيه لإنتاج نتائج موثوقة وعالية الإنتاجية. ومع صقل هذه التقنيات ودمجها في مرافق أكبر، فإنها تعد بتمكين تجارب جديدة في الفيزياء الفلكية، والعلوم النووية، وأبحاث المواد، مما يسمح للبشرية بالنظر بعمق أكبر في الآليات الأساسية للكون. إن المسار من نبض بلازما فوضوي إلى حزمة عالية الطاقة ومنضبطة أصبح الآن أكثر وضوحاً، مما يمهد الطريق للجيل القادم من مصادر الجسيمات.