فيزياء المسرعات physics.acc-ph

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.

في المسرّع الحلقي، تندفع الجسيمات في مسار دائري، مثل السيارات في دوار. عادةً، عند حقن جسيمات جديدة، تشغل أماكن عشوائية في هذا الدوار — فتصبح الحزمة "متفككة". في تجربة جديدة على مسرّع SNS، طُبّقت طريقة eigenpainting: حُقنت الجسيمات بحيث تدخل فقط في "مسار واحد" — نمط اهتزاز واحد مرتبط بالحلقة. هذا يشبه إدخال السيارات إلى الدوار عبر مسار مثالي واحد فقط، وليس عبر جميع الممرات في وقت واحد.

وتر الغيتار الذي تُلمسه إصبعك يهتز، ويهتز الهواء حوله ناقلاً الاهتزاز إلى أذنك. أما الزمكان فيهتز بشكل مختلف: فعندما تمر موجة ثقالية عبره، يتمدد وينضغط قليلاً. رصد مثل هذا الاهتزاز على ترددات تتراوح بين 10 كيلوهرتز و100 ميغاهرتز هو مهمة تتطلب بناء كاشفات من نوع جديد. الأساس هو تجويف راديوي فائق التوصيل.

في مسرّع الجسيمات، تندفع الإلكترونات في حلقة بسرعة تقارب سرعة الضوء. عندما يصطدم مثل هذا الإلكترون بفوتون — جسيم ضوء — يرتد الفوتون كما ترتد الكرة عن شاحنة متحركة، وينطلق بطاقة أكبر بكثير. تُسمى هذه الظاهرة تشتت كومبتون وتُستخدم منذ زمن طويل لإنتاج أشعة غاما — وهي أكثر أنواع الضوء طاقة.

في المسرعات العملاقة، تطير الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء وتتصادم وجهًا لوجه. لكن في بعض الأحيان تكون إحدى الحزم أكثر كثافة قليلاً من الأخرى — كما لو أن شخصًا ما وقف في الاتجاه الخاطئ على سلم كهربائي مزدحم. عندها تكون التصادمات غير متساوية، وتبدأ الأجهزة في "الوميض"، مما يخل بالقياسات. لمنع ذلك، يجب التحكم في كثافة الحزم بدقة شديدة. يقترح العلماء استخدام الليزر لهذا الغرض.

في كل عام، في الولايات المتحدة وحدها، يجري الأطباء أكثر من 16 مليون فحص باستخدام النظير المشع التكنيشيوم-99m. فهو يُظهر القلب والعظام والرئتين في الصور، ويساعد في اكتشاف الأورام أو فحص تدفق الدم. لكن عمر النظير نفسه لا يتجاوز ست ساعات، لذا لا يمكن تخزينه للاستخدام لاحقًا — بل يحتاج إلى إمداد مستمر.

حلقة بحجم طبق العشاء جعلت حزمة الإلكترونات تدور في مسار دائري. قطرها 22 سنتيمترًا، وتستغرق الدورة الكاملة 4.7 نانوثانية فقط. للمقارنة: في ثانية واحدة، يمكن لهذا الإلكترون أن يكمل أكثر من مئتي مليون دورة. لإدخال الجسيمات إلى الداخل، استُخدم نبضة كهربائية قصيرة مدتها 140 نانوثانية. عملت هذه النبضة كدفعة حادة تقذف كرة صغيرة في مسار منزلق.

في مسرع البلازما، تتسارع الجسيمات مثل راكبي الأمواج على موجة تنشأ في البلازما. إذا طار الحزمة الرائدة والحزمة الخلفية ليس على خط واحد، ينشأ عدم استقرار يهز الحزمة الخلفية. هذا يشبه راكب أمواج يبدأ في التمايل من جانب إلى آخر - مساره يتدهور وقد يسقط من الموجة. شاهد علماء SLAC لأول مرة علامات هذا عدم الاستقرار في التجربة E302 على منشأة FACET-II.

في قلب جبال الألب، على عمق نحو مئة متر، يقع مصادم الهادرونات الكبير (LHC) — أكبر مسرّع للجسيمات المشحونة في العالم. من وقت لآخر، تسجل كاشفاته ارتفاعات مفاجئة وغير مفسرة في الإشارات، أطلق عليها الباحثون اسم UFO (أجسام متساقطة غير محددة).

يمكن تشبيه تدفق الإلكترونات بحزمة ضوء من مؤشر ليزري: إذا تباعدت، فإن البقعة على الحائط سرعان ما تتلاشى. في المختبر، صنع الفيزيائيون حزمة ضيقة لدرجة أنها ظلت رفيعة على مسافة كبيرة، مثل شعاع مؤشر جيد. للقيام بذلك، قاموا بتسريع الإلكترونات في مسرع بلازما، حيث تلتقط الجسيمات موجة في غاز مؤين، ثم ضغطوا التدفق بمغناطيس دائم على شكل ملف لولبي.

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.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

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.

داخل مفاعل الاندماج النووي المستقبلي، سوف يطفو مغناطيس بوزن سيارة صغيرة. إنه يمسك البلازما شديدة الحرارة كما تمسك يد خفية سحابة. في السابق، كان يُعتقد أن مثل هذا المغناطيس غير مناسب لوقود الديوتيريوم والتريتيوم: فتدفقات النيوترونات كانت تدمره بسرعة. الآن، ابتكر المهندسون طريقة لحماية المغناطيس واستبدال الجزء التالف.

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.

يمكن للجسيمات في المسرّع أن تهتز في اتجاهين عرضيين في آن واحد، وهذه الاهتزازات ليست دائمًا مستقلة. إذا دفعت بندولًا في اتجاه واحد، فسيبدأ بالتأرجح جانبًا أيضًا — هذه هي الاهتزازات المترافقة. في المسرّعات، يحدث هذا بسبب عيوب في المغناطيسات أو إدخالات خاصة، وعندها تصبح حركة الجسيمات معقدة. من الصعب وصف هذه الحركة لأن الرياضيات تسمح باختيار أنظمة إحداثيات مختلفة.

يشبه العلاج الإشعاعي إطلاق النار من بندقية كبيرة العيار على هدف صغير: حتى الطلقة الدقيقة تصيب مساحة واسعة حول الهدف. سمك "الأثر" — الذي يسمى شبه الظل — في الأجهزة القياسية يتراوح بين 2 إلى 3 مليمترات. بالنسبة لورم في الرئة، هذا ليس مشكلة كبيرة، ولكن بالقرب من عصب أو وعاء دموي، هذه المليمترات تحدد ما إذا كان الشخص سيبقى بصحة جيدة.

المسرع العادي يشبه خط التجميع، حيث تكون الإلكترونات هي القطع الخام. للحصول على نبضة الأشعة السينية المطلوبة، تُضبط القطعة الخام لفترة طويلة بعد الانطلاق: تُضغط، وتُصفى، وتُصحح. في العمل الجديد، قرر المهندسون التصرف بشكل مختلف — إعطاء الشكل للقطعة الخام قبل أن تصل إلى خط التجميع. في منشأة LCLS-II، تُقتلع الإلكترونات من المعدن بنبضة ليزر قصيرة.

حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها. في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.

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.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

ومضة الكاميرا العادية تتجمد في أجزاء من مئة من الثانية، لكنها بالنسبة للذرات أشبه بالخلود. فداخل الجزيئات، تقفز الإلكترونات خلال زمن يُقاس بالأتوثانية: أي أجزاء من مليار من مليار جزء من الثانية. ولتصوير مثل هذه الأحداث، نحتاج إلى نبضة ضوئية أقصر من الحدث نفسه. يأخذ الفيزيائيون حزمة إلكترونات في مسرّع خطي ويضغطونها بحيث تصبح الحزم المفردة أرقّ من الشعرة — من حيث الزمن.

أصبح ليزر الأشعة تحت الحمراء في معهد فريتس هابر يعمل الآن كقائد أوركسترا بعصا مزدوجة. في السابق، كان يصدر شعاعًا واحدًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، حيث تهتز الجزيئات. الآن، أُضيف إليه مذبذب ثانٍ يُصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء البعيدة، حيث "تتنفس" الهياكل الجزيئية بأكملها.

شعاع الأشعة السينية هو تيار من حزم الطاقة الصغيرة جدًا، وهي الفوتونات. العدادات التقليدية تعدّها لكنها لا تميز بين درجاتها: فالفوتونان المتقاربان في الطاقة يبدوان متطابقين بالنسبة لها. أما الجهاز الجديد فيعمل مثل مقياس حرارة حساس: فهو يلتقط كل فوتون ويقيس مقدار ما أحدثه من حرارة في غشاء رقيق.

سطر طويل ضيق من النباتات يحتاج إلى الري، لكن لا يمكن تحريك الخرطوم — فقط فتح الماء وإغلاقه. إذا فتحت الصنبور ببساطة، سيتدفق الماء بتيار متصل ويغرق كل شيء دفعة واحدة. أما إذا هززت الذراع بسرعة، يمكنك إرسال دفعات قصيرة من الماء — وكل دفعة ستصيب قطعة الأرض الخاصة بها. هكذا تعمل الطريقة الجديدة للعلاج بالبروتونات: المسرّع لا يصدر حزمة مستمرة، بل سلسلة من النبضات السريعة — شرائح على طول حزمة الجسيمات.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

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.

ينطلق تجمّع بروتوني إلى داخل سحابة من البلازما، ويترك خلفه أثرًا غير مرئي: موجة كهربائية. يمكن لهذه الموجة أن تلتقط جسيمات أخرى وتسرّعها إلى طاقات هائلة. لكن التحكم فيها صعب، لأن سلوك البلازما ينطوي على تفاصيل كثيرة جدًا. كارل شفارتسشيلد كان يومًا ما يبحث عن حلول بسيطة لمعادلات معقدة — وهنا نحتاج إلى نهج مماثل.

يمكن تخيّل شعاع الليزر كدوامة سريعة تلتقط الإلكترون المار للحظات. بينما يتحرك الجسيم عبر النبضة، يتعرض لفّه — دورانه الذاتي، المشابه لدوران قمة دوّارة صغيرة — لدفعة ضعيفة. بعد الخروج من الحزمة، لم تعد القمة الدوّارة تشير إلى الاتجاه السابق: لقد انحرفت قليلاً.

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.

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.

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.

في غرفة مظلمة، يمر شعاع الشمس عبر ثقب دبوس في الورق المقوى، فتظهر على الجدار صورة مقلوبة للشارع. الكاميرا ذات الثقب لا تحتاج إلى عدسات: الثقب الصغير نفسه يختار الأشعة القادمة من كل نقطة في المشهد. طبق علماء من ESRF هذا المبدأ ليس على الضوء بل على الأشعة السينية، وجعلوا الكاميرا ترى التركيب الكيميائي بدل الشكل.

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.