تقليديًا، كانت مسرعات الجسيمات هياكل ضخمة: كيلومترات من المغناطيسات، والتجاويف، والأنفاق، مثل مصادم الهادرونات الكبير. لكن الآن، يستكشف العلماء مسرعات يمكن أن تناسب على طاولة - أو حتى على شريحة ميكرو. وفقًا لمحاكاة حديثة، من الممكن بناء سينكروترون مجهرية باستخدام "الضوء الملتوي" والأنابيب النانوية الكربونية. المفهوم أنيق: نبضات ليزر مستقطبة دائريًا تمر عبر أنبوب نانوي مجوف، مما يخلق مجالًا كهرومغناطيسيًا حلزونيًا يحتجز الإلكترونات، مما يجبرها على التحرك في حركة لولبية. بينما تدور، تطلق أشعة X متماسكة وعالية الطاقة - ويمكن أن تصل المجالات داخل الأنبوب النانوي إلى تيرافولت (تريليونات من الفولتات) لكل متر، وهو ما يتجاوز بكثير المسرعات التقليدية.
على نطاق أكبر ولكنه لا يزال ثوريًا، يدفع تجربة AWAKE في CERN نحو نموذج مختلف: تسريع حقل البلازما. في هذه الخطة، يدفع شعاع بروتون عالي الطاقة موجات في البلازما، مثل قارب سريع يقطع بحيرة. ثم "تتزلج" الإلكترونات على هذه الحقول، مكتسبة كميات هائلة من الطاقة على مسافة أقصر بكثير من المسرعات التقليدية. تشمل التحديثات الأخيرة في AWAKE مصدر بلازما جديد من بخار الروبيديوم مقسم للتحكم في الكثافة، مما يمكّن من إنشاء حقول استيقاظ أقوى ويمهد الطريق للتسريع متعدد المراحل.
في هذه الأثناء، يجد العلماء طرقًا لدمج أنواع مختلفة من المسرعات. أظهر فريق في جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ مؤخرًا أن دمج مسرع حقل استيقاظ مدفوع بالليزر (LWFA) مع مسرع حقل استيقاظ مدفوع بالشعاع (PWFA) يوفر تحكمًا أفضل وشعاعًا أكثر كثافة من الإلكترونات. يمكن أن تساعد هذه الأنظمة الهجينة في ترويض البيئة البلازمية الصعبة، مما يجعل المسرعات من الجيل التالي أكثر استقرارًا وكفاءة.
لماذا يهم كل هذا؟ لأن هذه المسرعات المدمجة لديها إمكانيات حقيقية في العالم. يمكن إخراج مسرع بحجم الطاولة من المرافق الوطنية إلى المستشفيات، والجامعات، أو المختبرات الصناعية. في الطب، يمكن أن تحسن التصوير - على سبيل المثال، تمكين عمليات مسح بالأشعة السينية عالية الدقة دون عوامل تباين. في تطوير الأدوية، يمكن أن تستخدم المختبرات هذه المسرعات لتحليل هياكل البروتين بسرعة وفي الموقع. وفي علوم المواد أو أبحاث أشباه الموصلات، يمكن أن تستكشف المكونات الحساسة بشكل غير مدمر.
هناك أيضًا تقدم في تسريع البلازما بالليزر. استخدم الباحثون في مختبر بيركلي ليزرين ونظام حقن غاز جديد لتسريع شعاع إلكتروني إلى 10 جيجا إلكترون فولت في 30 سنتيمتر فقط. هذا شعاع قوي في مساحة صغيرة - علامة واضحة على أن مستقبل التسريع قد لا يكمن في الآلات الأكبر حجمًا، بل في المجالات الأكثر ذكاءً وكثافة.
بالطبع، لا يزال الكثير من هذا في مرحلة البحث أو المحاكاة. لا يزال المسرع على نمط الرقائق نظريًا، ولم تتحقق التجارب للتحقق منه بالكامل بعد. يتم ترقية مصادر البلازما في AWAKE، لكن توسيع نطاقها والحفاظ على جودة الشعاع ستظل تحديات تقنية. ودمج طرق حقل الاستيقاظ المختلفة يتطلب تحكمًا دقيقًا في ديناميات البلازما، التي تُعرف بأنها متقلبة. لكن الباحثين متفائلون: اللبنات الأساسية موجودة بالفعل، والزخم في تزايد.
تنبيه صورة الذكاء الاصطناعي "المرئيات تم إنشاؤها باستخدام أدوات الذكاء الاصطناعي وليست صورًا حقيقية - إنها تعمل كرسوم توضيحية مفاهيمية."
المصادر ScienceAlert CERN ScienceDaily Phys.org SciTechDaily / Berkeley Lab