מאיצי חלקיקים היו במשך זמן רב נחלתם של מעבדות לאומיות ענקיות. כדי להאיץ אלקטרונים למהירויות הדרושות, נדרשים לפיזיקאים מנהרות באורך קילומטרים ותקציבים השווים לתוצר המקומי הגולמי של מדינות קטנות. אך מה אם מכשיר רב-עוצמה לחקר החומר יוכל להיכנס למעבדה אוניברסיטאית רגילה?
מומחים ממרכז BELLA במעבדת ברקלי התקרבו מאוד למציאות הזו. הם הדגימו פעולה של מאיץ לייזר-פלזמה (LPA), ששמר על יציבות במשך שמונה שעות. עבור טכנולוגיה זו תוצאה כזו היא צעד ענק קדימה. בעבר מתקנים דומים הזכירו מכוניות מרוץ גחמניות: הם הפיקו נתונים שוברי שיאים, אך התקלקלו או דרשו כיוונון ידני כל עשר-חמש עשרה דקות.
מהו סוד העמידות הזו? החוקרים הטמיעו מערכת משוב אקטיבית. אלגוריתמים ממוחשבים מנתחים בכל שנייה עשרות פרמטרים של אלומת הלייזר והפלזמה, ומבצעים תיקונים מיקרוסקופיים. זה הפך את הניסוי המדעי למכשיר אמין.
מדוע זה חשוב לנו? על בסיס מאיצים כאלה פועלים לייזרים אלקטרונים חופשיים (FEL). הם מייצרים קרינת רנטגן בבהירות מדהימה, ומאפשרים ממש לצלם "סרט" על האופן שבו מולקולות נעות במהלך תגובות כימיות או כיצד וירוסים חודרים לתא.
כיום, לשם מחקר כזה, על המדען להגיש בקשה שנה מראש ולנסוע לקצה השני של העולם אל הסינכרוטרון היחיד ביבשת. מחר — וזה כבר לא מדע בדיוני — אבחון דומה עשוי להיות זמין במרכזים רפואיים גדולים או בייצור שבבים עתירי טכנולוגיה.
האם אנו מוכנים לעולם שבו הפיזיקה הבסיסית תפסיק להיות "יקרה עד לשמיים" ותהפוך למכשיר יישומי בידי מהנדס? סביר להניח שהמעבר הזה ישנה את קצב פיתוחם של תרופות וחומרים חדשים יותר מכפי שאנו יכולים לתאר לעצמנו כעת. זהו נתיב לדמוקרטיזציה של המדע הגבוה.
הפיזיקה של האנרגיות הגבוהות יצאה רשמית אל מחוץ למנהרות הענק. קבוצת מחקר ממרכז BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator) הדגימה שמאיץ לייזר-פלזמה קומפקטי יכול לפעול באמינות של ציוד תעשייתי. במהלך הניסוי המתקן שמר על קרינה יציבה במשך 8 שעות, דבר שנחשב בעבר לבלתי אפשרי פיזית עבור מערכות "שולחניות" בגלל הרגישות הקיצונית של גלי הפלזמה לתנודות הקלות ביותר בתווך.
מאיצי חלקיקים מסורתיים, כמו LHC או LCLS-II, עולים מיליארדי דולרים ותופסים שטחים באורך קילומטרים. טכנולוגיית LPA-FEL משתמשת בלייזר רב-עוצמה ליצירת "גל עקבה" בפלזמה, שעליו האלקטרונים "גולשים", וצוברים אנרגיה עצומה למרחק של סנטימטרים ספורים בלבד. ואולם עד היום מערכות כאלה הזכירו אבות-טיפוס גחמניים: הן הפיקו פעימה עוצמתית, אך עד מהרה יצאו מכלל פעולה בגלל התפשטות תרמית והתדרדרות האופטיקה.
מדוע זה חשוב וכיצד זה יקרב מקורות רנטגן "שולחניים"
סינכרוטרונים מסורתיים ו- XFEL (לייזרים אלקטרונים חופשיים בקרינת רנטגן) — הם מתקנים ענקיים באורך מאות מטרים או קילומטרים (למשל, European XFEL — 3.4 ק"מ). הם עולים מאות מיליוני דולרים וזמינים רק למרכזים לאומיים גדולים.
מאיץ לייזר-פלזמה מקצר את שלב ההאצה מקילומטרים ל- מילימטרים-סנטימטרים. אם מעלים את אנרגיית האלקטרונים לכ-500 MeV (היעד הבא של הצוות), אורך הגל של הקרינה יירד ל- 20–30 ננומטר (על-סגול קשה / רנטגן רך). ובפרספקטיבה — גם עד רנטגן קשה.
מאיץ LPA-FEL קומפקטי יכול היה להפוך למקור "שולחני" או חדרי של פעימות רנטגן קצרות במיוחד, בהירות וקוהרנטיות. הדבר היה פותח גישה:
- לאוניברסיטאות ולמעבדות קטנות (ל"סרטים מולקולריים", לחקר דינמיקה של תגובות כימיות, ביולוגיה, מדעי החומרים).
- לתעשייה (בקרת איכות של מוליכים למחצה, ננוטכנולוגיה).
- לרפואה ולביטחון.
כמובן, לייזרים רבי-עוצמה עדיין יקרים, אך המתקן כולו יהיה קטן וזול פי כמה מהענקים הנוכחיים. מאיצי LPA יכולים לשמש גם כמזריקים איכותיים עבור מתקני XFEL גדולים קיימים, ובכך להגביר את תפוקתם.
זהו צעד משמעותי מאוד מ"צעצוע מעבדה" לטכנולוגיה ממשית. הצוות כבר אוסף נתונים לשיפור נוסף של היציבות והבהירות. אם השלב הבא (500 MeV ורנטגן רך) יצליח באותה מידת ביטחון — הדבר עשוי להפוך למהפכה של ממש בנגישותם של מקורות אור רבי-עוצמה.
