تحولات نوین در شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما
محققان با بهره‌گیری از جفت لیزر و یک صفحه‌ی گاز فراصوت، موفق به شتاب‌دهی الکترون‌ها به انرژی‌های بالا در کمتر از یک فوت شده‌اند. این پیشرفت چشمگیر، یک گام بزرگ رو به جلو در زمینه‌ی شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما به شمار می‌رود؛ روشی امیدبخش برای ساخت شتاب‌دهنده‌های ذرات کوچک و پرانرژی که در حوزه‌های فیزیک ذرات، پزشکی و علم مواد کاربرد دارد. در یک مطالعه‌ی جدید که به‌زودی در نشریه‌ی Physical Review Letters منتشر خواهد شد، گروهی از پژوهشگران توانستند پرتوهای الکترونی بسیار باکیفیت را تا بیش از ۱۰ میلیارد الکترون‌ولت (۱۰ گیگاالکترون‌ولت یا GeV) در طول ۳۰ سانتی‌متر شتاب دهند. (نسخه‌ی پیش‌نویس این تحقیق در آرشیو آنلاین arXiv در دسترس است.)
این پژوهش به سرپرستی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده و با همکاری دانشگاه مریلند انجام شد. این تحقیق در مرکز شتاب‌دهنده‌ی لیزری برکلی (BELLA) به انجام رسید؛ مرکزی که در سال ۲۰۱۹ رکورد جهانی ۸ GeV الکترون را در ۲۰ سانتی‌متر به ثبت رسانده بود. آزمایش جدید، علاوه بر افزایش انرژی پرتو، برای نخستین بار یک پرتو باکیفیت را در این سطح از انرژی تولید می‌کند و راه را برای نسل‌های بعدی ماشین‌های پربازده هموار می‌سازد.
الکس پیکسل، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه و دانشمند پژوهشی در بخش فناوری شتاب‌دهنده و فیزیک کاربردی در برکلی Lab، اظهار داشت: «ما از ۸ GeV به ۱۰ GeV جهش کردیم، اما همچنین در کیفیت و کارایی انرژی با تغییر فناوری که استفاده می‌کنیم، پیشرفت‌های قابل توجهی داشته‌ایم. این یک گام مهم در مسیر ساخت یک برخورددهنده‌ی مبتنی بر پلاسما در آینده است.»
نحوه‌ی عملکرد شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما
شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما (LPAs) از پلاسما استفاده می‌کنند؛ پلاسما یک سوپ گازی از ذرات باردار است که شامل الکترون‌ها نیز می‌شود. دانشمندان با اعمال یک ضربه‌ی انرژی شدید به پلاسما در عرض چند کوادریلیونیم ثانیه، می‌توانند یک موج قوی ایجاد کنند. الکترون‌ها بر روی قله‌ی این موج پلاسما سوار می‌شوند و انرژی جمع‌آوری می‌کنند، درست مانند سوارکارانی که بر روی امواج اقیانوس به حرکت درمی‌آیند.
نتیجه‌ی جدید حاصل از یک سامانه‌ی دو لیزری است که با تکمیل یک خط پرتو دوم در BELLA در سال ۲۰۲۲ میسر شد. در این سامانه، لیزر اول نقش یک مته را بازی می‌کند و با گرم کردن پلاسما، یک کانال ایجاد می‌کند که لیزر “دوم” را هدایت کرده و الکترون‌ها را شتاب می‌دهد. کانال پلاسما انرژی لیزر را به گونه‌ای هدایت می‌کند که مشابه یک کابل فیبر نوری، نور را منتقل می‌کند و پالس لیزر را در فواصل طولانی متمرکز نگه می‌دارد.
در گذشته، محققان پلاسما را با استفاده از لوله‌های شیشه‌ای یا یاقوتی با طول ثابت و معروف به “کاپیلاری” شکل می‌دادند. اما در این پژوهش جدید، تیم تحقیقاتی به سیستمی روی آورد که از یک سری جت گاز استفاده می‌کند که مانند جت‌های یک اجاق گاز، ردیف شده‌اند. این جت‌ها یک صفحه‌ی گاز را با سرعت فراصوت ایجاد می‌کنند که لیزرها از آن عبور می‌کنند و یک کانال پلاسما تشکیل می‌دهند. این تنظیمات به محققان این امکان را می‌دهد تا پلاسما را با دقت تنظیم و طول آن را تغییر دهند و در نتیجه، این امکان فراهم می‌شود تا فرایند در مراحل مختلف، با دقت بی‌نظیری مورد مطالعه قرار گیرد.
کارلو بنیدتی، دانشمند حاضر در ATAP در BELLA که بر روی نظریه و مدل‌سازی شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما کار می‌کند، گفت: «پیش از این، پلاسما اساساً یک جعبه‌ی سیاه بود. شما می‌دانستید چه چیزی وارد می‌شود و چه چیزی در انتها خارج می‌شود. این اولین بار است که می‌توانیم آنچه در داخل شتاب‌دهنده، در هر نقطه اتفاق می‌افتد را ثبت کنیم و نشان دهیم چگونه لیزر و موج پلاسما در حال تغییر هستند و این تغییرات با قدرت بالا و فریم به فریم نشان داده می‌شود.»
این دانش به محققان این امکان را می‌دهد تا مدل‌ها و آزمایش‌های خود را با هم مقایسه کنند و خاطرجمع باشند که فیزیک موجود را درک کرده‌اند و ابزاری برای تنظیم شتاب‌دهنده را در اختیار دارند. برای شبیه‌سازی تعامل لیزر-پلاسما، متخصصان از کدی با نام INF&RNO استفاده می‌کنند که در BELLA توسعه داده شده است. محاسبات پیچیده در مرکز محاسبات علمی تحقیقاتی انرژی ملی (NERSC) در برکلی Lab انجام می‌شود. کشفیات جدید به تأیید کد استفاده شده در این شبیه‌سازی‌ها کمک کرده و مدل‌ها را بیش از پیش تقویت می‌کند.
مزایای سیستم جت گاز: پایداری و کارایی
سامانه‌ی جت گاز، یک مزیت دیگر هم دارد: پایداری. از آنجایی که صفحه‌ی گاز هیچ قطعه‌ای برای شکستن ندارد، این فناوری می‌تواند به نرخ‌های تکرار بسیار بالایی مقیاس‌پذیر باشد. آزمایشگاه در حال کار بر روی این موضوع برای شتاب‌دهنده‌های ذرات و کاربردهای آینده است. محققان همچنین نشان دادند که رویکرد آن‌ها، پرتوهایی تولید می‌کند که “فاقد جریان تاریک” هستند؛ به این معنا که الکترون‌های پس‌زمینه در پلاسما، به شکل ناخواسته‌ای شتاب نمی‌گیرند. جروئن ون تیلبورگ، دانشمند ارشد ATAP و معاون مدیر برنامه‌های آزمایشی BELLA، گفت: «اگر جریان‌های تاریک وجود داشته باشند، آن‌ها انرژی لیزر را به جای شتاب دادن به پرتو الکترون شما جذب می‌کنند.» او افزود: «ما به نقطه‌ای رسیده‌ایم که می‌توانیم شتاب‌دهنده‌ی خود را کنترل کنیم و اثرات نامطلوب را از بین ببریم؛ بنابراین یک پرتو باکیفیت و بدون اتلاف انرژی تولید می‌کنیم. این موضوع، با توجه به تصور ما از شتاب‌دهنده‌ی لیزری ایده‌آل در آینده، بسیار ضروری است.»
کاربردهای بالقوه‌ی فناوری
این فناوری، طیف گسترده‌ای از کاربردهای احتمالی دارد. به عنوان مثال، می‌تواند برای تولید پرتوهای ذره‌ای جهت درمان سرطان استفاده شود یا می‌تواند لیزرهای الکترون آزاد را تغذیه کند که درست مانند میکروسکوپ‌های اتمی عمل می‌کنند و به تولید مواد پیشرفته و درک فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی کمک می‌کنند. آنتونی گونسالوس، دانشمند ATAP که رهبری کارهای شتاب‌دهنده در BELLA را بر عهده دارد، گفت: «ما یک گام بزرگ به سمت عملی شدن کاربردهای این شتاب‌دهنده‌های فشرده برداشتیم. برای من، زیبایی این نتیجه در این است که ما محدودیت‌های شکل پلاسما را که کارایی و کیفیت پرتو را محدود می‌کرد، از بین برده‌ایم. ما یک بستر ساختیم که می‌توانیم از آن بهبودهای بزرگی ایجاد کنیم و آماده‌ایم تا پتانسیل شگفت‌انگیز شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما را به واقعیت تبدیل کنیم.»
ظرفیت‌های آتی شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما
در مقیاس بزرگ‌تر، شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما می‌توانند در فیزیک بنیادی و فراتر از آن کاربرد داشته باشند. در کوتاه‌مدت، LPAs می‌توانند برای تولید پرتوهای میون استفاده شوند که به تصویربرداری از مناطق دشوار کمک می‌کنند؛ از جمله ساختارهای معماری مانند اهرام باستانی، پدیده‌های زمین‌شناسی مانند آتشفشان‌ها یا ذخایر معدنی، یا داخل راکتورهای هسته‌ای. در مقیاس بلندمدت، این فناوری می‌تواند شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای با انرژی بالاتر را تغذیه کند که ذرات باردار را به هم می‌کوبند و به دنبال ذرات جدید و درک عمیق‌تری از نیروهای زیربنایی جهان ما هستند. محققان در BELLA در حال حاضر بر روی توسعه‌ی این ماشین‌های بسیار پرانرژی کار می‌کنند و بلوک‌های سازنده را در یک سامانه شتاب‌دهنده مرحله‌ای به هم متصل می‌کنند. اریک اساری، مدیر مرکز BELLA گفت: «اتصال مراحل به یکدیگر، یک مسیر واقعی برای تولید الکترون‌ها بین ۱۰ تا ۱۰۰ GeV به ما می‌دهد و ما را به سمت شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای آینده که می‌توانند به ۱۰ TeV [ترا الکترون ولت] برسند، هدایت می‌کند.»
اهمیت تشخیص دقیق در سیستم‌های مرحله‌ای
برای ایجاد سیستم‌های مرحله‌ای، ضروری است که محققان تشخیص‌های دقیقی داشته باشند. این موضوع به آن‌ها اجازه می‌دهد تا درک کنند پلاسما، لیزر و پرتو الکترون چگونه رفتار می‌کنند و بر کنترل دقیق زمان‌بندی و هم‌زمانی مراحل در کسری از ثانیه داشته باشند. کامرون گدس، مدیر بخش ATAP آزمایشگاه برکلی گفت: «با این مطالعه، ما انرژی ذرات پرتوهای باکیفیت را در فواصل بسیار کوتاه بهبود داده‌ایم و کارایی تولید آن‌ها نیز افزایش یافته است؛ این مهم با استفاده از تشخیص‌های دقیقی که کنترل فوق‌العاده‌ای بر لیزر-پلاسما به ما می‌دهد، حاصل شده است.» او افزود: «پیشرفت فناوری شتاب‌دهنده‌های لیزری-پلاسما به عنوان یک هدف مهم، توسط هر دو پنل اولویت‌بندی پروژه‌های فیزیک ذرات ایالات متحده (P5) و استراتژی توسعه شتاب‌دهنده‌های پیشرفته وزارت انرژی شناسایی شده است. این نتیجه، یک نقطه‌ی عطف در مسیر ما به سمت شتاب‌دهنده‌های مرحله‌ای است که قرار است روش‌های علمی ما را دگرگون سازند.»
این کار با پشتیبانی دفتر علوم وزارت انرژی، دفتر فیزیک انرژی بالا و آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی انجام شده و از تأسیسات مرکز محاسبات علمی تحقیقاتی انرژی ملی (NERSC)، از تأسیسات کاربردی دفتر علوم DOE استفاده گردید.
بیشتر بخوانید
مدیتیشن یک روز پربرکت برای جذب عشق وامنیت و سلامتی
خود هیپنوتیزم درمان زود انزالی در مردان توسط هیپنوتراپیست رضا خدامهری
تقویت سیستم ایمنی بدن با خود هیپنوتیزم
شمس و طغری
خود هیپنوتیزم ماندن در رژیم لاغری و درمان قطعی چاقی کاملا علمی و ایمن
خود هیپنوتیزم تقویت اعتماد به نفس و عزت نفس