تسريع ليزري بلازمي

في قناة حلقية بين حلقتين مسننتين، تعلق كريات دقيقة: بعضها نصف قطرها 8 ميكرومتر، والبعض الآخر 14. يُشغَّل التفريغ، وتبدأ الجسيمات في الحركة. الصغيرة تتجه في اتجاه، والكبيرة في الاتجاه المعاكس. وكأنما في مركز تجاري، حيث تعمل سلالم متحركة متقابلة لأشخاص بارتفاعات مختلفة.

في قبو المختبر، يُصدر مغناطيس بقوة 8 تسلا طنيناً. داخله، مثل جرس في برج جرس، يعلق أسطوانة نحاسية مجوفة مضبوطة على نغمة واحدة فريدة. إذا مرّ أكسيون قريباً، وهو جسيم من المادة المظلمة، تستجيب الأسطوانة برنين خافت. المشكلة أن النحاس العادي يخمد هذا الرنين: عند الترددات العالية، يسري التيار فقط في طبقة رقيقة من سطح المعدن، فتزداد الخسائر.

هدف الغاز يشبه القمع: كلما كانت جدرانه أكثر انحدارًا، كان التدفق أقوى. فقط في هذا القمع لا يتدفق الماء، بل الضوء فوق البنفسجي، الذي يولد عندما تمر نبضة ليزر قوية عبر سحابة من الأرجون. كفاءة هذا التحويل عادة ما تكون ضئيلة، حوالي 0.001%: من بين ألف فوتون ليزر، يتحول واحد فقط إلى أشعة فوق بنفسجية مفيدة.

التوهج الأزرق في الماء حول المفاعل النووي هو ضوء يُولَد عندما يتجاوز جسيم مشحون سرعة الضوء في ذلك الوسط. اكتشف هذا التأثير بافيل شيرينكوف عام 1934، وقدم النظرية إيغور تام وإيليا فرانك. منذ ذلك الحين، أصبح إشعاع شيرينكوف أداة عمل: من كواشف الجسيمات إلى الفيزياء الفلكية.

تصطدم نبضة ليزر بسحابة غازية وتقتلع منها إلكترونات، تاركةً خلفها فقاعة: تجويفًا يكاد يخلو من الجسيمات. تندفع هذه الفقاعة عبر البلازما بسرعة تقارب سرعة الضوء، وتسحب جدرانها الإلكترونات التي دخلت داخلها، كما يسحب الزورق السريع المتزلج المائي خلفه.

لمدة ثلاثة أيام متتالية، ضرب الليزر نفثًا من الغاز، وفي كل ثانية وُلدت حزمة إلكترونات بطاقة تعادل طاقة برق صغير. في السابق، كانت هذه الحزم لا تُنتَج إلا في قاعات ضخمة حيث يشغل المسرّع مبنى بأكمله. الآن، الجهاز بأكمله يتسع في غرفة واحدة وعمل دون انقطاع لمدة 72 ساعة. السر يكمن في أن نبضة الليزر تضغط في الغاز موجة — مثل قارب يترك خلفه أثرًا.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

داخل التوهج الشمسي، تتمزق الخطوط المغناطيسية مثل حبال مطاطية مشدودة، وتتشابك من جديد، محررةً في دقائق طاقة تكفي البشرية لملايين السنين. في المختبر، طالما عرف العلماء كيفية إحداث هذه العملية، إعادة الاتصال المغناطيسي، لكنهم لم يعرفوا كيفية إيقافها. الآن، أصبح لدى الفيزيائيين مفتاح.

تنتشر حزمة الليزر العادية في خط مستقيم، تماماً مثل ضوء المصباح اليدوي. ومع ذلك، يمكن لفّ الضوء في شكل حلزوني يشبه خيط المِفكّة. وتحمل هذه الحزمة زخماً زاوياً مداريًا (OAM) – وهي خاصية لا يقتصر فيها الضوء على الإضاءة فحسب، بل يدير أيضاً كل ما يصادفه في طريقه. وقد وجّه الفيزيائيون هذا الضوء الملفوف إلى البلازما لتسريع الإلكترونات.

يُصوِّب الرامي نحو الهدف، يضغط على الزناد — ويسمع طلقتين: واحدة عالية والأخرى خافتة. هكذا تعمل المنشأة الجديدة، لكن بدل الرصاصات لدينا حزمة إلكترونية، وبدل الطلقات وميضان من الضوء. أحدهما بأشعة إكس والآخر بتيراهرتز. يطيران إلى نقطة واحدة بفاصل زمني مثالي. عادةً تُنتَج هذه الوميضات في آلات مختلفة، ومزامنتها أشبه بجعل عازفي طبول يعزفان بنفس الإيقاع دون أن يرى أحدهما الآخر.

صفيحة نحاسية بحجم عملة معدنية تتبخر تحت ضربة الليزر خلال أجزاء من المليار من الثانية. تصطدم سحابة النحاس الساخنة بالهيليوم البارد، مثل نفث بخار في هواء متجمد. تظهر في الصور فقاعة واضحة المعالم بخيوط رفيعة على أطرافها — فالبلازما لا تتمدد بشكل منتظم، بل تتفكك إلى ألياف بسماكة شعرة إنسان. البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات.

في المسرع الحلقي، يندفع حزمة الإلكترونات على مسار مغلق ملايين المرات. إذا كانت الإلكترونات ملتوية مثل خيوط الحبل، فإن حركتها الدوامية — الزخم الزاوي المداري — يجب أن تُحفظ. لكن في طريق الحزمة توجد صدمات عشوائية من مغناطيسات غير كاملة قد تدمر هذه البنية. وصف العلماء كيف تتغير الحركة الدوامية تحت تأثير هذه الاضطرابات — تذبذبات المجال المغناطيسي.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

يستمر الوميض جزءًا من ألف من الثانية، لكنه في هذه اللحظة يقذف من الطاقة ما تشعه الشمس في يوم كامل. تُلتقط هذه الإشارات، وهي ومضات راديو سريعة، بواسطة التلسكوبات منذ عام 2007، ولا يزال مصدرها لغزًا. يقدم العمل الجديد إجابة أنيقة: الأمر كله يتعلق بمضخم كوني. النجم المغناطيسي هو نجم نيوتروني بمجال مغناطيسي أقوى بمقدار كوادريليون مرة من مجال الأرض.

في السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

في كوكبة العقاب، على بُعد نحو 40 ألف سنة ضوئية منا، يعمل أحد أقوى المسرّعات الطبيعية في المجرة. إنه الميكروكويزار GRS 1915+105، وهو زوج من نجم عادي وثقب أسود. يجذب الثقب الأسود مادة النجم إليه ويقذفها على شكل نفاثتين ضيقتين، تتسارعان إلى ما يقارب سرعة الضوء.

لأول مرة، تم تحويل ليزر مصنعي، يُستخدم في المصانع لقطع ولحام المعادن، إلى مسرّع جسيمات. أخذ الفيزيائيون ليزر إتيربيوم قياسيًا — قلبه بلورة بحجم كف اليد — وحوّلوا ومضاته إلى أداة لتسريع الإلكترونات حتى接近 سرعة الضوء. في السابق، كانت مثل هذه الحيلة تتطلب أنظمة ليزر فريدة بحجم غرفة كاملة، أما هنا فيكفي جهاز صناعي عادي.

الكون مليء بعدائين خفيين - جسيمات تسير بسرعة تقارب سرعة الضوء. تُرصَد في الرياح الشمسية، وبالقرب من النجوم النيوترونية، وحتى في الفراغ بين المجرات. لكن ما الذي يسرعها في أماكن لا توجد فيها موجات صدمية ولا اتصالات مغناطيسية؟ ربما يكمن الجواب في نفس الكون ذاته - في نبض البلازما المتكرر.

طفل على أرجوحة: دفعة قوية جدًا — فيطير. هكذا تقريبًا ينتزع الضوء القوي الإلكترونات من الذرة. يبدو أنه كلما كانت الدفعة أقوى، كان التدمير أضمن. لكن في العالم الكمومي الأمر مختلف: عندما تتجاوز قوة المجال عتبة معينة، تتجمد الذرة فجأة. تتوقف سحابتها الإلكترونية عن التشتت وتصبح أكثر استقرارًا. هذا السلوك الغريب سُمي بالتثبيت في المجال القوي.

الكون يتحدث بلغتين أساسيتين — الجاذبية والضوء. وفي الظروف العادية، لا يختلطان: الأمواج الثقالية تنزلق عبر المادة دون أن تترك أثراً، بينما ترقص الفوتونات في متاهات المرايا. لكن في عام 1962، اكتشف الفيزيائي ميخائيل غيرتسنشتاين أن الحقل المغناطيسي يمكن أن يصبح مترجماً — للحظة وجيزة جداً، يتحول الغرافيتون إلى فوتون.

عادةً ما تُفصل النظائر بالاعتماد على الفرق في وزن النواة. هذا الفرق ضئيل للغاية — وكأننا نفرز حبيبات رمل يبلغ الفرق بينها واحدًا على مئة من المليمتر. أما الطريقة الجديدة فلا تنظر إلى الوزن بل إلى دوران النواة — أي لفها المغزلي. يوجه الليزر نبضتين إلى الجزيئات بفاصل زمني قصير.

خرطوم الحديقة يضرب بنفث رفيع وقوي. إذا حرّكته فوق قطعة الأرض، يمكنك ريّ الحديقة كلها دون إغراق الممرات. تقريبًا هكذا يعمل النهج الجديد لعلاج الأورام العميقة: بدلًا من تيار إشعاع عريض، نأخذ حزمة ضيقة من الإلكترونات المسرّعة إلى سرعة تقارب سرعة الضوء، ونمسح بها الورم كما لو كانت نفث ماء.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

قرب الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، تغلي البلازما مثل الماء في غلاية. لكن في هذه «الغلاية» لا توجد جدران، فقط مجالات مغناطيسية تلتف وتتمزق. في أماكن التمزق تنشأ طبقات رقيقة حيث يعيد المجال المغناطيسي توصيل نفسه، وتحصل الجسيمات على دفعة، مثل راكب أمواج على موجة.

عندما يغلي الماء في الغلاية، تنتشر موجات البخار في أرجاء المطبخ. وفي الفضاء، تجري عملية مشابهة في البلازما — الغاز المسخن بشدة لدرجة تنفصل فيه الإلكترونات عن الذرات. حول الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية، هذه البلازما ليست مجرد ساخنة: فجسيماتها تندفع بسرعة تقارب سرعة الضوء.

يضرب الليزر شبكة زجاجية صغيرة، فتمر الإلكترونات عبرها وتتسارع. لا يمكن النظر إلى الداخل، لذلك يُستدل على ما يحدث من طاقة الإلكترونات بعد التسارع — تمامًا كما يُستدل على شكل الحجر من رذاذ الماء المتطاير عند رميه. بنى العلماء توأمًا رقميًا: نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك المسرع الحقيقي. مرّروا عبره آلاف الأنماط من نبضات الليزر وحصلوا على آلاف الأطياف الطاقية.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

الماس هو أصلب مادة طبيعية، وعادةً ما تكون معالجته أشبه بعمل نحّات يستخدم آلة تكسير: خشنة، مع تشققات وشظايا. لكن الإلكترونيات تتطلب دقة فائقة، فالماس موصل ممتاز للحرارة، ويتحمل درجات حرارة عالية، ويمكنه العمل في الأجهزة الكمومية.

ليزر قوي يضرب هدفًا صغيرًا جدًا، فيتحول فورًا إلى سحابة من الغاز شديد الحرارة، وهي البلازما. داخل هذه السحابة تتولد مجالات مغناطيسية تلقائيًا. إنها، مثل أيادٍ غير مرئية، تمنع الحرارة من الهروب بحرية من المركز الساخن. ولهذا السبب تُعتبر هذه المجالات مهمة للاندماج النووي الحراري — العملية التي تغذي الشمس والتي يحاول البشر ترويضها على الأرض.

في أعماق كوكبة العقاب، يختبئ سديم يشبه فقاعة منتفخة. تنفخه نجمة صغيرة بحجم مدينة، وهي نجم نابض يدور عدة مرات في الثانية ويفقد طاقة دورانه. عادةً، تتوهج هذه الفقاعات بقدر قوة نجمها النابض. لكن هذه الفقاعة، التي أطلق عليها اسم «مسرّع العقاب»، أظهرت سطوعًا يفوق المتوقع. التقط تلسكوب LHAASO في جبال الصين أشعة غاما من هذا السديم بطاقة تتجاوز مئة تيرا إلكترون فولت.

داخل مسرّعات الجسيمات الكبيرة توجد حجرات معدنية مجوّفة تتسارع فيها الحزم. ومع مرور الوقت تترسب على جدرانها رواسب، تماماً كما يحدث في قدر قديم. هذه الرواسب تمنع المسرّع من العمل بكامل طاقته. لاستعادة قوة المسرّع، يُدخَل إلى الحجرة بلازما — وهي غاز متوهّج من الأرغون أو النيون مع إضافة الأكسجين. تحرق البلازما الرواسب خلال بضع ساعات، فتعود الحجرة نظيفة.

مصادر الضوء السيني الحديثة تشبه أوركسترا بلا قائد: الإلكترونات في الحزمة تطير بشكل عشوائي، فيكون الإشعاع غير واضح. الفكرة الجديدة هي جعل الإلكترونات تصطف في صفوف منتظمة بمسافات تبلغ بضعة نانومترات. عندها يصبح الضوء المنبعث منها مترابطًا (coherent)، مثل شعاع الليزر. لتحقيق ذلك، يتم توجيه ليزرين ضعيفين إلى بلازما (غاز من الجسيمات المشحونة) بحيث يتقاطعان.

البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات، وهو موصل للكهرباء. في الفضاء، غالبًا ما يكون هذا الغاز منخفض الكثافة لدرجة أن الجسيمات نادرًا ما تتصادم، ويُوصف سلوكه بمعادلات حركة كل جسيم على حدة. الطريقة الحاسوبية المعروفة باسم Particle-in-Cell (PIC) تفعل ذلك تمامًا: فهي تتابع ملايين الجسيمات والمجالات الكهربائية التي تولدها. لكن الفضاء ليس ثابتًا.

نبض الليزر الذي يجري عبر البلازما يشبه عداءًا يشق طريقه وسط حشد من الناس. فهو يدفع الإلكترونات جانبًا، تاركًا خلفه قناة منخفضة الكثافة — تمامًا كما يفسح الحشد الطريق أمام العداء السريع. داخل هذه القناة، يتحرك قمة موجة الضوء أسرع قليلًا من الضوء في الفراغ، وهذه السرعة هي التي تحدد مدى كفاءة النبض في نقل الطاقة إلى الجسيمات.

يضرب الليزر الهدف، وينطلق إلى الحجرة سحابة من البلازما مسرعة إلى مئات الكيلومترات في الثانية. حولها ليس فراغًا: الحجرة مليئة بغاز مخلخل يلعب دور الوسط الكوني. تصطدم البلازما بهذا الغاز مثل زورق سريع يصطدم بمياه راكدة، وتبدأ في دفعه أمامها. ولكن بدلاً من أن يتشتت ببساطة، يجمع التدفق بشكل غير متوقع جزءًا من الغاز في كتلة كثيفة تطير معه.

نبضة ليزر قصيرة تضرب الهواء — فتشتعل عند نقطة الاصطدام شرارة صغيرة تشبه البرق الخاطف. تعيش هذه الشرارة أطول مما يبدو: فالتوهج الساطع يظل مرئيًا لنصف ميلي ثانية، بينما يستمر التوهج الخافت قرابة عشرين ميلي ثانية. طوال هذا الوقت، تندفع الإلكترونات الحرة داخل البلازما، ولأول مرة تمكن العلماء من قياس عددها ودرجة حرارتها بدقة.

تولد ذرة فضة صغيرة في شعاع الليزر وتبدأ فوراً في النمو — أسرع من طرفة عين. المجهر العادي لا يواكب هذه السرعة، لذلك لم يرَ أحد حتى الآن كيف يظهر الجسيم النانوي ويكبر. الآن أصبح لدى العلماء أداة تصور هذا «الفيلم» إطاراً بإطار. جمع الباحثون بين ليزر يطلق نمو الجسيمات ومجهراً ذرياً فائق السرعة. هذا الجهاز يتحسس السطح بإبرة حادة، مثل إصبع يقرأ طريقة برايل، لكن أسرع بملايين المرات.

ضوء المصباح العادي هو فوضى: فوتونات تتطاير في كل اتجاه دون أي نظام. لكن إذا جعلت العديد من الذرات تصدر الضوء في وقت واحد وبإيقاع متناسق، تحصل على وميض قصير قوي — مثل تصفيق يتحول من تصفيقات فردية إلى هتاف واحد. هذا الإشعاع المتناسق يسمى الإشعاع الفائق (superradiance). ومن الصعب الحصول عليه: يجب أن تكون الذرات قريبة جدًا من بعضها لتشعر بجيرانها.

حزمة الأيونات الثقيلة في المسرع تشبه حشداً من الناس يدفع بعضهم بعضاً بالمرفقين: كلما زاد العدد، اتسع الحشد. الجسيمات المشحونة تتنافر، وعند تيار يتجاوز بضعة ميكروأمبيرات، تتمدد الحزمة وتفقد شكلها. بالنسبة للجسيمات الخفيفة، هذا مقبول، لكن بالنسبة للثقيلة مثل أيونات الذهب، المشكلة حادة: فهي تطير ببطء، والتنافر يتمكن من إفساد الحزمة. قام مؤلفو العمل بأخذ مسرع متعدد المراحل موجود مسبقاً وتغيير الفولتية على مراحله.