باحثون يحققون اختراقات جديدة لاستخدام تكنولوجيا الليزر في تجارب مسرعات الجسيمات

تتوسع استخدامات أجهزة الليزر الى مجالات عديدة حيث نجدها في قطاعات هامة كالطب و التصنيع و كذلك في مخابر البحوث التي تطمح لتطوير التقنيات المستقبلية و التي نشاهدها حاليا في أفلام الخيال العلمي، و تشير دراسة نشرت الشهر الماضي الى تطوير مجموعة من الباحثين استخدامات جديدة لتقنيات الليزر في فيزياء الجسيمات.

و طور علماء ومهندسو مختبر “Fermilab” أداة تسمى “notcher laser”، والتي تستفيد من قدرات أشعة الليزر الدقيقة للقيام بـ : تعزيز عدد الجسيمات التي ترسلها المسرعات في التجارب الفيزيائية .و قد ساهم ذلك بشكل كبير في زيادة إنتاج الجسيمات في المختبر- بنسبة مذهلة بلغت 15 بالمائة – مما منح العلماء مزيدًا من الفرص لدراسة عناصر الطبيعة.

و في حين تم استخدام أشعة الليزر أثناء اختبارات التسريع و التشخيص ، يعد هذا أول تطبيق من نوعه يستخدم في مسرع التشغيل الكامل.

وقال المهندس “فيليب بيليكو” ، الباحث في “Fermilab” الذي يدير أحد برامج تحديث المسرع الرئيسية في المختبر ، والذي أطلق عليه اسم “خطة تحسين البروتون”: “بالنسبة لمثل هذا التصميم الجديد ، فإن جهاز الليزر كان موثوقًا به بشكل ملحوظ. و لقد ثبت بالفعل في القدرة على توفير زيادة كبيرة في عدد الجسيمات التي يمكن أن تنتجها التجارب”.

عملية فصل الجسيمات ليست جديدة.  و عادة ما تقوم المسرعات بإنشاء شعاع من الجسيمات المشحونة في حزم مدمجة يحتوي كل منها على مئات الملايين من الجسيمات. و على سبيل المثال كل حزمة تمثل اللآلِئ على حبل. كما يمكن ترتيب هذه الحزم في أنماط وفقا لاحتياجات التسارع.

و يشير “بيليكو” الى أن هناك بعض العقبات التي تؤدي الى ظاهرة فوضوية كخسارة الحزم ، وهو عقبة قابلة للقياس يمكن التنبؤ بها. ويمكن استيعابها عن طريق كبح كمية الشعاع التي يتم تسريعها في المقام الأول ، و كذلك تحديد سقف عدد الجسيمات التي تحتويها الحزمة.

هذا السقف هو قيد على تجارب “Fermilab” الحالية والقادمة ، والتي تتطلب أعدادًا أكبر وأكبر من الجسيمات التي يمكن لمعقد التسارع معالجتها سابقًا. لذا يبحث مهندسو مسرع المعمل عن طرق لرفع سقف حزمة الجسيمات وتلبية الاحتياجات التجريبية.

الليزر كحل لمشكلة خسارة الحزم

يعمل جهاز الليزر الجديد “notcher” عن طريق توجيه نبضات قوية من أشعة الليزر في حزم الجسيمات ، مما يجعلها خارج نطاق التجربة . ويسمح كل من موقع ودقة الجهاز بتكوين فجوات نظيفة مما يؤدي إلى إحداث تغييرات في القدرة على كبح خسارة الحزم.

وقال “ديفيد جونسون” ، فيزيائي الهندسة في “Fermilab” الذي ابتكر تصميم الشاشات الليزرية وقاد المشروع: “نقلنا العملية إلى مكان حيث عندما نفقد الجزيئات ، لا يهم الأمر حقاً”.

و يعتبر جهاز الليزر كمشرط جراحي في تقنيات إزالة الحزم . حيث ينتج عنصرا دقيقا بشكل فردي ، حزمة قبل حزمة. و يتيح ذلك للعلماء خلق فجوات من الأطوال الصحيحة التي تحتاجها مراحل التسريع في وقت لاحق.

و بالنسبة لسلسلة التسريع الخاصة بالمختبر، فإن الصيغة الأفضل هي أن يقوم جهاز الليزر بإنشاء فجوة تبلغ 80 نانوثانية (مليار جزء من الثانية) في كل 2200 نانوثانية. ويقول العلماء انها الفجوة المثالية التي يحتاج إليها المسرع في مرحلة لاحقة ، و تسمى المعزز “Booster”.

يقوم المعزز “Fermilab Booster” بتغذية الحزمة إلى مراحل المسرّع التالية أو مباشرة إلى التجارب.

و قبل تثبيت شاشة الليزر ، يقوم القاذف المغناطيسي بتمهيد حزم معينة عند دخولها الداعم ، مما يؤدي إلى فقدان الحزمة.

و مع وجود الليزر ، يتلقى الـ “Booster” شعاع يحتوي على ثغرات سابقة وواضحة المعالم. و تعني هذه الفجوات التي يبلغ طولها 80 نانوثانية ، أنه في الوقت الذي تغادر فيه الحزمة الداعم وتتجه نحو محطتها التالية ، يمكن أن تؤدي إلى خروج نظيف بلا تشوه و لا خسارة.

مع انخفاض حزمة شعاع “Booster” إلى مستويات منخفضة ، يمكن لمشغلي “Fermilab” أن يرفعوا السقف على عدد الجسيمات التي يمكنهم إنتاجها في الحزم. والنتائج حتى الآن كانت مبشرة بالخير: فقد سمحت التجارب بالفعل بزيادة قوة الشعاع بنسبة 15 في المائة.

وبفضل هذا الابتكار والتحسينات الأخرى في الترقية ، يعمل مُسرع “Booster” الآن بأعلى كفاءة له على الإطلاق وبطاقة شعاع قياسية.

وقال “سيرجي ناغايتسيف” ، رئيس برامج علوم المسرعات في “Fermilab” : “على الرغم من استخدام أشعة الليزر في مسرعات البروتون في الماضي من أجل التشخيص والاختبارات ، فإن هذا هو التطبيق الأول من نوعه من أشعة الليزر في البروتون السنكروتروني التشغيلي ، ويضع إطارًا تكنولوجيًا لاستخدام أنظمة الليزر في مجموعة متنوعة من تطبيقات حفنة أخرى ، والتي من شأنها زيادة تقدم مجال مسرعات البروتون عالية الطاقة  “.

الآفاق المستقبلية

يعتبر جهاز الليزر ، الذي تم تركيبه في شهر يناير في المختبر ، جزءًا أساسيًا من برنامج أكبر وهو خطة تحسين مردودية تفاعلات البروتون (PIP) ، لترقية سلسلة المعامل الخاصة بمسرعات الجسيمات لإنتاج حزم بروتون قوية.

و يرسل “Fermilab” جسيمات البروتونات التي تتدفق عبر مجمع مسرع المختبر ، ويتم توجيهها إلى تجارب مختلفة. و على طول الطريق ، يتم تحويل بعضها إلى جسيمات أخرى تحتاجها التجارب ، على سبيل المثال في النيوترينوات ، وهي جسيمات صغيرة منتشرة في كل مكان يمكن أن تحمل المفتاح للإجابة على أسئلتنا في فهم تطور الكون.

تحتاج تجارب “Fermilab” إلى مراكب تحمل هذه الجزيئات لتنفيذ برنامجها العلمي. يتم تحويل بعض البروتونات إلى الميونات ، والتي يمكن أن توفر للعلماء تلميحات حول طبيعة الفراغ.

ومع وصول المزيد من البروتونات إلى أسفل الأنبوب ، بفضل (PIP)و جهاز الليزر “notcher” ، يمكن للمسرع توليد المزيد من النيوترونات والميونات والجسيمات الأخرى، وتغذية التجارب الفيزيائية المعقدة.

وقال “ناغايتسيف” : “اذا نظرنا إلى كل التحسينات التي أدخلت على مسرعات Fermilab ككعكة جميلة مع زينة فوقها، فإن الزيادة في إنتاج الجسيمات التي نجحنا في تحقيقها باستخدام آلة التلحيم بالليزر تشبه الكرز فوق الكعكة”.

و أضاف : “إنه تغير صغير لكن على ما يبدو سيكون له تأثير كبير”.

و يهدف فريق البحث بتوسيع التجارب أكثر في المستقبل ، عبر تحقيق تحسينات جوهرية لإكتشافات أكثر تعمقا في فيزياء الكون .

إنطلاق عملية ترقية مصادم الهدرونات الكبير لتحسين قدراته على تحقيق المزيد من الإكتشافات حول النظريات القياسية للكون

المصدر