آمریکا رکورد شکست، آینده جهان را متحول کرد: پرتو الکترونی که معادلات را عوض می‌کند!
پرتوهای الکترونی قدرتمند، همواره کلید گشایش بسیاری از رازهای علمی بوده‌اند. حالا، دانشمندان در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC در منلو پارک، کالیفرنیا، به موفقیتی بی‌نظیر در فیزیک ذرات دست یافته‌اند. آن‌ها موفق به تولید یک پرتو الکترونی با “جریان پیک” بی‌سابقه‌ای شده‌اند که پنج برابر قوی‌تر از هر پرتو الکترونی دیگری در زمین است. این دستاورد مهم که در یک مطالعه‌ی اخیر در مجله‌ی “Physical Review Letters” منتشر شده، گامی بزرگ در زمینه‌ی فیزیک شتاب‌دهنده‌ها و همچنین طیف وسیعی از رشته‌های علمی، از شیمی کوانتومی تا اخترفیزیک، به شمار می‌رود.
عبور از محدودیت‌ها در فیزیک پرتو
سال‌ها بود که ایجاد پرتوهای الکترونی بسیار قوی بدون به خطر انداختن کیفیت آن‌ها، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در فیزیک ذرات به شمار می‌رفت. روش‌های سنتی برای تولید پرتوهای الکترونی شامل استفاده از “میدان‌های مایکروویو” برای فشرده‌سازی و متمرکز کردن الکترون‌ها بود. با این حال، این فرآیند اغلب منجر به “تلفات انرژی” و کاهش کیفیت پرتو می‌شد.
محققان در SLAC راهی جدید برای حل این مشکل پیدا کردند. آن‌ها با استفاده از یک “تکنیک شکل‌دهی مبتنی بر لیزر” نوآورانه، توانستند میلیاردها الکترون را در یک پرتو به طول تنها یک “میکرومتر” فشرده کنند و در عین حال، هم قدرت و هم کیفیت پرتو الکترونی را حفظ کنند.
فناوری لیزر در مرکز توجه
راز این موفقیت، استفاده از یک “دستگاه آندولاتور گرم‌کن لیزری” بود، ابزاری که به محققان اجازه می‌دهد تا پرتو الکترونی را به دقت کنترل کنند. “کلودیو اما”، دانشمند در آزمایشگاه ملی وزارت انرژی SLAC، می‌گوید: «مزیت بزرگ استفاده از لیزر این است که می‌توانیم یک “مدولاسیون انرژی” اعمال کنیم که بسیار دقیق‌تر از کاری است که می‌توانیم با میدان‌های مایکروویو انجام دهیم.» این تیم از دقت ارائه شده توسط لیزرها برای ایجاد پرتویی استفاده کرد که می‌توانست جریان پیک بالای خود را حفظ کند و در عین حال، به شدت کنترل‌شده باقی بماند.
البته، این پیشرفت کار آسانی نبود. این کار شامل ماه‌ها “آزمایش” برای دستیابی به تراکم و پایداری مورد نظر بود. تیم SLAC مجبور بود تعامل بین لیزر و “پرتو الکترونی” را تنظیم کند و اطمینان حاصل کند که تراکم پرتو در حین حرکت در دستگاه یک کیلومتری این مرکز، بی‌نقص است.
پیامدهای این دستاورد برای اخترفیزیک و فراتر از آن
این پرتو الکترونی جدید، دریچه‌ای را به روی مجموعه‌ای از احتمالات جدید در تحقیقات علمی باز خواهد کرد. به عنوان مثال، در “اخترفیزیک”، دانشمندان اکنون می‌توانند “رشته‌های پلاسما” مشاهده شده در ستارگان را بازسازی کنند. این رشته‌ها پدیده‌هایی هستند که دانشمندان از وجود آن‌ها اطلاع دارند، اما تاکنون هرگز نتوانسته‌اند آن‌ها را از نزدیک در شرایط آزمایشگاهی مطالعه کنند – تا به امروز. محققان SLAC با هدایت پرتو الکترونی قدرتمند به سمت اهداف جامد یا گازی، می‌توانند این ساختارها را با جزئیات بی‌سابقه‌ای بررسی کنند.
این پرتو همچنین نویدبخش پیشرفت در سایر زمینه‌های علمی است. محققان در SLAC در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه این فناوری جدید می‌تواند در “فناوری میدان برانگیختگی پلاسما” مورد استفاده قرار گیرد، که به طور بالقوه می‌تواند منجر به ایجاد نسل بعدی شتاب‌دهنده‌های ذرات فشرده شود. آینده‌ی این تحقیقات کاملاً باز است، زیرا محققان SLAC به بررسی راه‌های مختلفی که می‌توان از این ابزار استفاده کرد، ادامه می‌دهند.
این توسعه بخشی از تلاش گسترده‌تر دانشمندان SLAC برای کشف قدرت “علم فوق سریع” است. اما می‌گوید: «اگر پرتو را به عنوان یک دوربین سریع داشته باشید، یک پالس نوری بسیار کوتاه نیز دارید، و اکنون ناگهان دو پروب مکمل دارید.» امکان ترکیب چنین پرتوهای الکترونی دقیقی با “پالس‌های نوری اتوثانیه‌ای” محققان را قادر می‌سازد تا پدیده‌ها را با سطحی از جزئیات بررسی کنند که قبلاً غیرقابل تصور بود.
این ابزار جدید همچنین یک پلتفرم همه‌کاره برای سایر دانشمندان ارائه می‌دهد. اما با تأکید بر “روحیه همکاری” که محرک نوآوری در SLAC است، افزود: «اگر به یک پرتو فوق‌العاده نیاز دارید، ما ابزار آن را برای شما داریم و بیایید با هم کار کنیم.»
این پیشرفت که توسط “دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده” پشتیبانی می‌شود، تاکنون توجه محققان در سراسر جهان را به خود جلب کرده است و آن‌ها مشتاق به بررسی کاربردهای بالقوه آن در فیزیک، شیمی و فراتر از آن هستند. این سفر تازه آغاز شده است، اما پتانسیل برای کشف‌های جدید بسیار زیاد است.
لازم به ذکر است که “برندن اوشی” نیز در این تحقیقات نقش داشته است و به همراه “کلودیو اما” به بررسی تجهیزات آزمایشگاهی در FACET-II در سال ۲۰۲۲ پرداخته‌اند.
