بیگ بنگ: تيمي از دانشمندان دانشگاه كاليفرنيا، لس آنجلس و بخش انرژي آزمايشگاه شتاب­ دهنده ملي اسلاک(SLAC)، به مرحله برجسته ­اي در پيشرفت تكنولوژي نويد بخش براي شتاب­ دادن ذرات به انرژي بالا در مسافت كم، دست يافتند: آنها يك لوله كوچك، گاز يونيزه شده(پلاسما) ساختند كه در آن ذرات زمانيكه معلق اند در آن متمركز باقي مي­مانند.

به گزارش بیگ بنگ، اين تكنيك به خصوص براي پوزيترون­ها، در زماني كه از ميان پلاسما عبور ميكنند مهم است؛ زيرا مايل به از دست دادن تمركز-طي فرآيندي كه با نام شتاب پلاسماي ويكفيلد شناخته ميشود- هستند. در آزمايش­هاي شتاب دهنده اسلاک امكاني براي آزمايش­هاي تجربي شتاب­ دهنده ذره ای پيشرفته(FACET) نیز وجود دارد، در این حالت پرتوهاي پوزيترون در زماني كه در لوله پلاسما در حال حركتند، نزديك به يكديگر مي مانند.

مارك هوگان دستيار محقق اصلي گفت:« توانايي ساخت پرتوهاي ذرات كه هم پرانرژي و هم متمركز باشند، يك پيش ­نياز براي كاربردهاي شتاب­ دهنده است. این نتايج، ما را يك گام به ساخت پلاسما رانده( Plasma-driven) در شتاب­ دهنده ذرات نزديك­تر كرد. چنین دستگاهی به طور بالقوه مي­تواند به آينده ی ذرات در برخورد دهنده نيرو ببخشند، همچنین می تواند با منابع اشعه ايكس روشن، عکس های فوق سریعی از مواد با وضوح اتمی بگیرد.

لوله های پلاسمايي براي حفظ ذرات سريع در مسير

در شتاب ِ پلاسماي ويكفيلد بسته هاي پر انرژي الكترون يا پوزيترون از پلاسما ميگذرند و پلاسماي wakes توليد ميكنند تا دسته هاي ذرات را برانند. از زمانيكه اين روش توانست انرژي لغزش ذرات را تا بيش از 1000 مرتبه بالا ببرد. علاوه برآن توانست راهي براي نسل آينده شتاب­­ دهنده ­ها كه قدرتمندتر، كوچكتر و ارزان­تر هستند را هموار كند.

اما اين تكنيك همچنان بايد با يك چالش بزرگ مغابله كند: نيروهاي قوي به سوي مركز پلاسما اشاره دارند و ميتواند كيفيت اشعه ذرات را كاهش دهد كه شامل دسته هايي از الكترون­ها يا پوزيترون­ها هستند. در محفظه پوزيترون، ذرات از حالت تمركز بيرون مي­ آيند و در پلاسما گم مي­ شوند. “اسپنسر گسنر” رهبر نويسندگان اين مطالعه جديد مي­گويد:« ما كانال پلاسمايي تو خالي طراحي كرده ­ايم، لوله پلاسما همراه گازي خنثي درون آن. به دليل هندسه خاص پلاسما، ذرات از ميان كانال بدون تجربه هرگونه نيروهاي نامطلوب مي گذرند. »

مدرك آزمايش اصلي در شتاب­ دهنده ذره ای پيشرفته

ايده ی ساخت ِ لوله های پلاسما حدود 20 سال بوده است، اما “گسنر” و همكاران محقق اش اولين كساني هستند كه نشان دادند در واقع مي توانند اين كانال ها را به اندازه ی كافي بزرگ براي آزمايش و شتاب دادن ذرات، بسازند. براي ساخت پلاسما براي آزمايششان، پژوهشگران يك ليزر قوي را از ميان گاز داغ عنصر شيميايي ليتيم فرستادند. به طور عادي شدت اشعه ليزر نسبتاً يكنواخت است، بنابراين پلاسمايي يكنواخت توليد ميكند. اما در اين حالت آنها ابتدا اشعه را از ميان يك شبكه مارپيچي شكل مي فرستند كه اشعه ی ليزر را طوري شكل ميدهد كه اگر در سطح مقطع آن نگاه كرد، شامل حلقه هاي هم مركز مي شود.

حلقه ی دروني تنها حلقه اي است كه براي ساخت پلاسما كافي است و زماني كه اشعه ليزر از ميان ابر گاز ليتيم حركت ميكند، اين حلقه لوله پلاسما را حدودا 3 اينچ طولاني تر و دو صدم اينچ پهن ­تر ميكند. لوله اين كار را براي چند تريليون از ثانيه ادامه ميدهد كه به اندازه لازم براي دانشمندان كافي است كه يكي از اشعه­ هاي پوزيترون قوي در شتاب دهنده ذره ای را از ميانش ارسال کنند.

“گسنر” مي­گويد:« در واقع نتايج ما نشان مي دهد كه دسته­ هاي پوزيترون زماني كه از ميان لوله عبور ميكنند، تمركز خود را از دست نمي دهند. در واقع، پلاسما با توليد اثر از خود كه مقدار بسيار زيادي از انرژي را از دسته بيرون ميكشد، پاسخ مي دهد. اين انرژي ميتواند براي شتاب ِ دسته­ هاي پوزيترون، استفاده شود.»

گام­هاي بعدي به سوي كاربردهاي آينده

اين تيم به زودي با آزمايش هايي برای اثبات اين تكنيك که در واقع ميتواند انرژي پوزيترون­ هايي كه درون كانال توخالي موج پلاسما را مي پيمايند، پیگیری می کند. محققان قصد دارند كه تاثير این روش را بهبود بخشند، این کار توسط زياد كردن مقدار انرژي كه در ردپاي آن ذخيره شده و با 10 بار قدرتمندتر از تكنولوژي مرسوم شتاب ِ فركانس راديويي است، مطابقت دارد. هوگان مي­گويد:« با تركيب منحصر به فرد اشعه پوزيترون­ هاي قوي و ليزرهاي قدرت بالا، شتاب­ دهنده ذره ای پيشرفته، تنها مكاني در دنيا است كه مي­­تواند اين نوع از پژوهش را انجام دهد. ما به كشف­ هاي دور مي­ انديشيم كه اين نزديك شدن به شتاب پلاسماي ويكفيلد است. » جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریه ی Nature Communications منتشر شده است.

مترجم: اميراحسان بريري/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: phys.org