هدف غازي بدون نافذة لفيزياء الفلك تحت الأرض ✎

الأصل: "Design and commissioning of a windowless gas-target system for high-current beams at JUNA"
arXiv:2609.08782v1 · 2026-09-08 · CC BY-NC-ND 4.0 · تحليل مستقل · 2 دقيقة
مهندسو JUNA صمّموا هدفًا غازيًا بدون نافذة يتحمّل حزمًا بميلي أمبير ويراقب سماكته بنفسه.

في أعماق جبل جين بينغ، تحت كيلومترين من الصخور، تصطدم حزمة بروتونات بسحابة غاز. في السابق، كانت تفصل بين المسرّع والهدف رقيقة معدنية، مثل زجاج النافذة. كانت تحبس الجسيمات وتشتّت طاقتها وتعيق رصد التفاعلات النووية النادرة التي تغذّي النجوم. الآن أُزيلت النافذة، لكن الغاز لا يتطاير: تحبسه منظومة كاملة من المضخات والصمامات والمستشعرات.

يشبه الغاز في الهدف الماء في نافورة تدور في حلقة. تسحبه المضخات من الحجرة، وتدفعه عبر مرشّحات، ثم تعيده إليها. يظل الضغط ثابتًا بدقة واحد بالمئة لثماني ساعات متواصلة، رغم أن الحزمة تضرب الغاز باستمرار. وفي الوقت نفسه، يبقى الفراغ على جانب المسرّع شبه كوني: حوالي واحد على عشرة مليارات من الغلاف الجوي. هذا التباين ممكن لأن الضخ يتم على مراحل، مثل أقفال الملاحة في قناة.

سماكة سحابة الغاز يتحكم فيها أنبوب متحرك. يمسح على طول الحزمة ويلتقط الجسيمات التي ارتدّت مرتين: أولًا من ذرات الغاز، ثم من صفيحة كربون رقيقة. من هذه الارتدادات يتضح أين يكون الغاز أكثر كثافة، وأين تخففه الحزمة.

الحزمة تسخّن الغاز فيتمدد، مثل الهواء فوق أسفلت حار. كلما كانت الحزمة أقوى، قلّت الذرات في مسارها. عند ثمانمئة ملي واط لكل سنتيمتر مربع، تنخفض الكثافة بمقدار الربع. من المهم معرفة ذلك، وإلا فإن معدل التفاعل المُقاس سيظهر أقل من قيمته الحقيقية. حسب المهندسون التصحيح، وأصبح بإمكانهم أخذه في الاعتبار في كل تجربة.

جهاز آخر، وهو مسعّر نحاسي، يعمل كميزان لحزمة غير مرئية. يحافظ على درجة حرارة ثابتة، وعندما تحمل الحزمة حرارة، يقلل من تسخينه الذاتي. الفرق في قدرة المدفأة قبل وبعد يُظهر مقدار الطاقة التي تحملها الحزمة. الدقة عالية لدرجة أنها تلتقط ملعقة ماء بارد تُسكب في غلاية تغلي.

لأول مرة، يجمع النظام بين ثلاثة عناصر: دوران غاز مستقر، ومسعّر لا يعتمد على شحنة الجسيمات، ومراقب سماكة يرى توزيع الغاز على طول الحزمة. سابقًا، كانت هذه الأهداف إما تعمل بتيارات أقل، أو تفتقر إلى التشخيص الكامل.

الآن يمكن قياس التفاعلات بغازات نظائرية مكلفة، مثل الهيليوم-3 أو النيون-22. الغاز لا يضيع، بل يدور في حلقة، وكل بروتون في الحزمة يُحصى. هذا طريق إلى بيانات دقيقة حول كيفية تولّد النيوترينوات في الشمس، ومن أين تأتي النيوترونات في النجوم الضخمة. النافذة التي كانت تعيق الرؤية أُزيلت أخيرًا، وأصبح بإمكاننا رؤية لهب التفاعلات النجمية نفسه.

المسعر يقيس قدرة الحزمة بدقة تصل إلى أعشار الواط، رغم أن الحزمة نفسها تحمل مئات الواط. هذا مثل ملاحظة أن إبريق الشاي برد نصف درجة عندما أضفت إليه ملعقة من الماء البارد.

W_b = (W_0 - W_h) \frac{S_{h,i}}{S_{b,i}}
W_b هي قدرة الحزمة، W_0 هي القدرة الأولية للسخان، W_h هي قدرة السخان بعد التعويض، S_h وS_b هما حساسيتا درجة الحرارة للسخان والحزمة على التوالي
h_{beam} = \frac{\Delta E_{beam}}{\Delta E_{theory}}
h_beam هو نسبة فقد الطاقة المقاس إلى النظري لغاز ساكن؛ ويبين مدى انخفاض الكثافة بسبب الحزمة