الفيزياء على الطاولة: كيف يقرب الرقم القياسي لثماني ساعات في بيركلي عصر المسرعات المتاحة

ظلت مسرعات الجسيمات لفترة طويلة امتيازًا للمختبرات الوطنية العملاقة. لتسريع الإلكترونات إلى السرعات المطلوبة، يحتاج الفيزيائيون إلى أنفاق طولها كيلومترات وميزانيات تضاهي الناتج المحلي الإجمالي للدول الصغيرة. ولكن ماذا لو كان بإمكان أداة قوية لدراسة المادة أن تتسع في مختبر جامعي عادي؟

اقترب المتخصصون من مركز BELLA في مختبر بيركلي من هذا الواقع. لقد أظهروا عمل مسرع ليزري-بلازمي (LPA) حافظ على استقراره لمدة ثماني ساعات. بالنسبة لهذه التقنية، هذه النتيجة خطوة هائلة إلى الأمام. في السابق، كانت هذه الأجهزة تشبه سيارات السباق المتقلبة: كانت تحقق أرقامًا قياسية، لكنها تتعطل أو تتطلب ضبطًا يدويًا كل عشر إلى خمس عشرة دقيقة.

ما سر هذه القدرة على التحمل؟ أدخل الباحثون نظام تغذية راجعة نشطة. تقوم الخوارزميات الحاسوبية بتحليل عشرات المعلمات لشعاع الليزر والبلازما كل ثانية، وتجري تعديلات مجهرية. هذا حوّل التجربة العلمية إلى أداة موثوقة.

لماذا هذا مهم بالنسبة لنا؟ على أساس هذه المسرعات تعمل ليزرات الإلكترونات الحرة (FEL). إنها تولد أشعة سينية ذات سطوع لا يصدق، مما يسمح حرفيًا بتصوير «فيلم» عن كيفية تحرك الجزيئات أثناء التفاعلات الكيميائية أو كيف تخترق الفيروسات الخلية.

اليوم، لإجراء مثل هذا البحث، يحتاج العالم إلى تقديم طلب قبل عام والسفر إلى الطرف الآخر من العالم إلى السنكروترون الوحيد في القارة. غدًا - وهذا لم يعد خيالًا علميًا - قد يصبح هذا التشخيص متاحًا في المراكز الطبية الكبرى أو في إنتاج الرقائق عالية التقنية.

هل نحن مستعدون لعالم تتوقف فيه الفيزياء الأساسية عن كونها «باهظة الثمن بشكل فلكي» وتصبح أداة تطبيقية للمهندس؟ من المحتمل أن هذا التحول سيغير سرعة تطوير الأدوية والمواد الجديدة أكثر مما يمكننا تخيله الآن. هذا هو الطريق إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على العلم الرفيع.

خرجت فيزياء الطاقة العالية رسميًا من حدود الأنفاق العملاقة. أظهرت مجموعة بحثية من مركز BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator) أن مسرعًا ليزريًا-بلازميًا مدمجًا يمكن أن يعمل بموثوقية المعدات الصناعية. خلال التجربة، حافظ الجهاز على إشعاع مستقر لمدة 8 ساعات، وهو ما كان يُعتبر سابقًا بعيد المنال فيزيائيًا للأنظمة «المكتبية» بسبب الحساسية الشديدة للموجات البلازمية لأدنى تقلبات في الوسط.

تكلف مسرعات الجسيمات التقليدية، مثل LHC أو LCLS-II، مليارات الدولارات وتشغل مساحات طولها كيلومترات. تستخدم تقنية LPA-FEL ليزرًا قويًا لإنشاء «موجة استيقاظ» في البلازما، حيث «تركب» الإلكترونات الموجة، وتكتسب طاقة هائلة على مسافة بضعة سنتيمترات فقط. ومع ذلك، حتى اليوم، كانت هذه الأنظمة تشبه النماذج الأولية المتقلبة: كانت تنتج نبضة قوية، لكنها سرعان ما تتعطل بسبب التمدد الحراري وتدهور البصريات.

لماذا هذا مهم وكيف سيقرب مصادر الأشعة السينية «المكتبية»؟

التقليدية السينكروترونات و XFEL (ليزرات الأشعة السينية الحرة) — هي منشآت عملاقة يبلغ طولها مئات الأمتار أو كيلومترات (مثل European XFEL — 3.4 كم). تبلغ تكلفتها مئات الملايين من الدولارات ولا تتوفر إلا للمراكز الوطنية الكبرى.

المسرع الليزري-البلازمي يقلص مرحلة التسريع من كيلومترات إلى مليمترات-سنتيمترات. إذا رفعت طاقة الإلكترونات إلى ~500 ميجا إلكترون فولت (الهدف التالي للفريق)، سينخفض طول موجة الإشعاع إلى 20–30 نانومتر (أشعة فوق بنفسجية قاسية / أشعة سينية ناعمة). وفي المستقبل — وصولًا إلى الأشعة السينية القاسية.

يمكن أن يصبح LPA-FEL المدمج مصدرًا «بحجم مكتب» أو بحجم غرفة لنبضات أشعة سينية قصيرة جدًا وساطعة ومتماسكة. وهذا من شأنه أن يفتح المجال أمام:

• للجامعات والمختبرات الصغيرة (لـ«أفلام جزيئية»، ودراسة ديناميكيات التفاعلات الكيميائية، وعلم الأحياء، وعلوم المواد).
• للصناعة (مراقبة جودة أشباه الموصلات، وتقنيات النانو).
• للطب والأمن.

بالطبع، لا تزال الليزرات القوية مكلفة، لكن المنشأة بأكملها ستكون أصغر وأرخص بكثير من المنشآت العملاقة الحالية. ويمكن أيضًا أن تعمل مسرعات LPA كحاقنات عالية الجودة لمنشآت XFEL الكبيرة الموجودة، مما يعزز أداءها.

هذه خطوة مهمة جدًا من «أداة مخبرية» إلى تقنية حقيقية. يقوم الفريق بالفعل بجمع البيانات لتحسين الاستقرار والسطوع بشكل أكبر. إذا ما نجحت المرحلة التالية (500 ميجا إلكترون فولت والأشعة السينية الناعمة) بثقة مماثلة، فقد يمثل ذلك ثورة حقيقية في توفر مصادر الضوء القوية.