المحاكاة بالليزر عالي الطاقة.. محاولة لإنتاج المادة من الضوء

 بعد بضع دقائق من عمر الكون ، تسبب انبعاث الطاقة الضوئية في تصادم الجسيمات الأولى للمادة والمادة المضادة. نحن على دراية بالعملية العكسية – المادة المولدة للطاقة – في كل شيء من نار المخيم إلى القنبلة الذرية، ولكن كان من الصعب إعادة هذا التحول الحاسم للضوء إلى مادة.

الآن ، مجموعة جديدة من عمليات المحاكاة قام بها فريق بحث بقيادة اليكسي أريفيف من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو تشير إلى الطريق نحو خلق المادة من الضوء.

تبدأ العملية بتوجيه ليزر عالي الطاقة إلى هدف لتوليد مجال مغناطيسي قوي مثل مجال النجم النيوتروني. يولد هذا المجال انبعاثات أشعة غاما التي تتصادم لتنتج – لأقصر لحظة – أزواج من المادة والجسيمات المضادة للمادة.

وقال أريفيف ، زميل في الدراسة، إن الدراسة التي نشرت في 11 مايو في مجلة Physical Review Applied تقدم نوعًا من الوصفة التي يمكن أن يتبعها التجريبيون في مرافق الليزر عالي الطاقة للبنية التحتية المتطرفة (ELI) في أوروبا الشرقية لتحقيق نتائج حقيقية في غضون عام أو عامين. أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية.

وقال “إن نتائجنا تضع العلماء في وضع يمكنها من التحقيق، لأول مرة، في إحدى العمليات الأساسية في الكون”.

تسخير قوة عالية

أريفيف وطالب الدكتوراه تاو وانغ وزملاؤه في مجموعة محاكاة البلازما النسبية بالليزر يعملون منذ سنوات على طرق لإنشاء حزم مكثفة وموجهة من الطاقة والإشعاع ، وهو عمل يدعمه جزئيًا مؤسسة العلوم الوطنية ومكتب القوات الجوية البحث العلمي. وأشاروا إلى أن أحد السبل لتحقيق ذلك هو توجيه ليزر عالي الطاقة إلى هدف لإنشاء مجال مغناطيسي قوي جدًا من شأنه التخلص من انبعاثات الطاقة المكثفة.

وأوضح أريفيف أن نبضات الليزر عالية الكثافة والقصيرة للغاية التي تهدف إلى هدف كثيف يمكن أن تجعل الهدف “شفافًا نسبيًا” ، حيث تتحرك الإلكترونات في الليزر بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء وتصبح أثقل بشكل فعال.هذا يمنع إلكترونات الليزر من التحرك لحماية الهدف من ضوء الليزر. مع مرور الليزر عبر هذه الإلكترونات ، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا مثل قوة السحب على سطح نجم نيوتروني – أقوى بـ 100 مليون مرة من المجال المغناطيسي للأرض.

القول بأن كل هذا يحدث في غمضة عين هو مبالغة كبيرة. يوجد المجال المغناطيسي لـ 100 فمتوثانية. (الفمتوثانية هي 10^(-15) ثانية – كوادريليون جزء من الثانية.)

وقال أريفيف “لكن من وجهة نظر الليزر ، الحقل شبه ثابت، مرة أخرى ، من وجهة نظر الليزر ، ربما تكون حياتنا أطول من عمر الكون”.

الليزر عالي الطاقة في هذه الحالة هو واحد في نطاق متعدد البيتا واط. إن البيتا واط هو مليون مليار واط. للمقارنة ، تقدم الشمس حوالي 174 بيتوات من الإشعاع الشمسي إلى الغلاف الجوي العلوي للأرض.

اقترحت عمليات المحاكاة السابقة أن الليزر المعني يجب أن يكون عالي الطاقة ويستهدف بقعة صغيرة لإنتاج الكثافة المطلوبة لإنشاء مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية. تشير عمليات المحاكاة الجديدة إلى أنه من خلال زيادة حجم النقطة البؤرية وتعزيز قوة الليزر إلى حوالي 4 بيتوات ، يمكن أن تظل شدة الليزر ثابتة أثناء خلقها المجال المغناطيسي القوي.

في ظل هذه الظروف ، تظهر المحاكاة ، أن الإلكترونات المعجلة بالليزر للمجال المغناطيسي تحفز انبعاث أشعة غاما عالية الطاقة.

قال أريفيف : “لم نتوقع أننا لسنا بحاجة إلى الذهاب إلى قوة مجنونة ، فهذا يكفي فقط لزيادة القوة ويمكنك الوصول إلى أشياء مثيرة للاهتمام للغاية”.

أزواج الجسيمات

أحد هذه الأشياء المثيرة للاهتمام هو إنتاج أزواج الإلكترون-البوزيترون وهي جزيئات المادة والمادة المضادة المزدوجة. يمكن إنتاج هذه الجسيمات عن طريق اصطدام شعاعين من أشعة غاما أو تصادم شعاع واحد من أشعة غاما بإشعاع الجسم الأسود ، وهو جسم يمتص كل الإشعاع الساقط عليه. تنتج هذه الطريقة الكثير منها – عشرات إلى مئات الآلاف من الأزواج الذين ولدوا من تصادم واحد.

قال أريفيف إن العلماء قاموا بإنجاز الضوء في المادة من قبل ، لا سيما في تجربة واحدة عام 1997 في ستانفورد، لكن هذه الطريقة تتطلب تيارًا إضافيًا من الإلكترونات عالية الطاقة، في حين أن الطريقة الجديدة “يتم استخدام الضوء فقط لإنتاج المادة”. وأشار أيضًا إلى أن تجربة ستانفورد “ستنتج زوج جسيمات واحدًا لكل 100 إطلاق للضوء.”

تجربة تستخدم الضوء فقط لتكوين مادة بشكل أقرب تحاكي الظروف خلال الدقائق الأولى من الكون ، وتقدم نموذجًا محسنًا للباحثين الذين يتطلعون إلى معرفة المزيد عن هذه الفترة الزمنية الحرجة. يمكن أن توفر التجربة أيضًا فرصًا أكبر لدراسة جسيمات المادة المضادة ، التي تظل جزءًا غامضًا من تكوين الكون.

على سبيل المثال ، يتوق العلماء إلى معرفة المزيد عن سبب كون الكون لديه مادة أكثر من المادة المضادة ، عندما يجب أن يكون الاثنان بكميات متساوية.

المصدر Physical Review Applied