نوع جديد جذري من مسرعات الجسيمات يمكن أن يحدث تحولًا في العلوم: ScienceAlert

يمكن ضغط معجل الجسيمات الذي ينتج أشعة سينية مكثفة في جهاز يمكن وضعه على طاولة، هذا ما توصلت إليه أنا وزملائي في مشروع بحثي جديد.

الطريقة التي يتم بها إنتاج الأشعة السينية المكثفة حاليًا هي من خلال منشأة تسمى مصدر ضوء السنكروترون. وتستخدم هذه لدراسة المواد وجزيئات الدواء والأنسجة البيولوجية. ومع ذلك، فحتى أصغر السنكروترونات الموجودة يبلغ حجمها تقريبًا حجم ملعب كرة قدم.

ملكنا بحثوالتي تم قبولها للنشر في المجلة رسائل المراجعة البدنيةيوضح كيف يمكن لهياكل صغيرة تسمى أنابيب الكربون النانوية وضوء الليزر أن تولد أشعة سينية رائعة على شريحة دقيقة. على الرغم من أن الجهاز لا يزال في مرحلة المفهوم، إلا أن التطوير لديه القدرة على إحداث تحول في الطب وعلوم المواد وغيرها من التخصصات.

متعلق ب: يقول تقرير CERN: من الممكن أن يكون هناك جهاز ضخم لتحطيم الجسيمات يبلغ طوله 56 ميلاً

يتخيل معظم الناس أن مسرعات الجسيمات عبارة عن آلات ضخمة، وحلقات معدنية كبيرة جدًا ومغناطيسات تمتد لمسافة كيلومتر واحد تحت الأرض. ال مصادم هادرون الكبير في CERN (المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية) في جنيف، على سبيل المثال، يبلغ طوله 17 ميلاً (27 كم).

يُظهر البحث الجديد أنه قد يكون من الممكن قريبًا بناء مسرعات فائقة الصغر بعرض بضعة ميكرومترات فقط، أي أصغر من عرض شعرة الإنسان. يمكن أن تولد هذه الأشعة السينية متماسكة وعالية الطاقة مماثلة لتلك التي تنتجها مرافق السنكروترون التي تبلغ قيمتها مليار رطل، ولكن باستخدام الأجهزة التي تتناسب مع شريحة دقيقة.

ضوء ملتوي

ويعتمد هذا المبدأ على خاصية معينة للضوء تُعرف باسم بولاريتونات البلازمون السطحية. هذه هي الموجات التي تتشكل عندما يتمسك ضوء الليزر بسطح المادة. في عمليات المحاكاة، تم إرسال نبضة ليزر مستقطبة بشكل دائري عبر أنبوب مجوف صغير. نبضة الليزر المستقطبة هذه عبارة عن ضوء يلتوي أثناء تحركه، يشبه إلى حد كبير المفتاح.

يقوم المجال الدوامي باحتجاز جزيئات الإلكترون وتسريعها داخل الأنبوب، مما يجبرها على الحركة الحلزونية. أثناء تحركها بشكل متزامن، تبعث الإلكترونات إشعاعًا بشكل متماسك، مما يؤدي إلى تضخيم شدة الضوء بما يصل إلى أمرين من حيث الحجم.

فريقي وأنا لقد أنشأوا سنكروترونًا مجهريًا، حيث تلعب نفس المبادئ الفيزيائية التي تحرك المرافق على نطاق الأميال – ولكن على مسرح نانوي.

ولإنجاح هذا المفهوم، أنابيب الكربون النانوية تم استخدامها. وهي عبارة عن هياكل أسطوانية مصنوعة من ذرات الكربون مرتبة في أنماط سداسية. يمكن لهذه الأنابيب النانوية أن تتحمل مجالات كهربائية عالية جدًا، أقوى بمئات المرات من تلك الموجودة في المسرعات التقليدية. ويمكن أيضًا “زراعتها” عموديًا في ما نسميه “غابة” من الأنابيب المجوفة المتراصفة بشكل وثيق.

توفر هذه البنية الفريدة بيئة مثالية لضوء الليزر المفتاحي للاقتران بالإلكترونات. الليزر المستقطب دائريًا يناسب الأنابيب النانويةالبنية الداخلية لـ – تشبه إلى حد كبير المفتاح الموجود في القفل، ولهذا السبب نشير إلى آلية القفل والمفتاح الكمومية.

فريق البحث الذي أنا جزء منه كان بقيادة بيفينج لي، باحث مشارك في كلية العلوم الفيزيائية. وأظهرت عمليات المحاكاة ثلاثية الأبعاد أن هذا التفاعل يمكن أن ينتج مجالات كهربائية تبلغ عدة تيرا فولت (تريليون فولت) لكل متر. وهذا أبعد بكثير مما يمكن أن تحققه تقنيات التسريع الحالية.

يمكن لهذا النوع من الأداء أن يغير من يمكنه الوصول إلى مصادر الأشعة السينية المتطورة. في الوقت الحاضر، يجب على العلماء التقدم بطلبات للحصول على فترات زمنية محدودة في منشآت السنكروترون الوطنية الكبيرة، أو أجهزة ليزر الإلكترون الحر، والتي غالبًا ما تنتظر شهورًا لبضع ساعات من وقت الشعاع.

فتح الوصول

يمكن لنهج التسريع المنضدي أن يجعل هذه الإمكانية متاحة في المستشفيات والجامعات والمختبرات الصناعية. في الواقع، أينما كانت هناك حاجة إليها.

في الطب، قد يعني هذا تصوير الثدي بالأشعة السينية بشكل أكثر وضوحًا وتقنيات تصوير جديدة تكشف الأنسجة الرخوة بتفاصيل غير مسبوقة، دون استخدام عوامل التباين.

وفي مجال تطوير الأدوية، يمكن للباحثين تحليل هياكل البروتين داخل الشركة، مما يؤدي إلى تسريع تصميم علاجات جديدة بشكل كبير. وفي علوم المواد وهندسة أشباه الموصلات، يمكن أن تتيح إجراء اختبارات غير مدمرة وعالية السرعة للمكونات الحساسة.

وقد قدمت الدراسة في 2025 ورشة عمل NanoAc حول موضوع تكنولوجيا النانو في فيزياء المسرعات والذي عقد في ليفربول في وقت سابق من هذا الشهر. ولا يزال البحث حاليًا في مرحلة المحاكاة. لكن المكونات الضرورية موجودة بالفعل: أشعة الليزر القوية المستقطبة دائريًا وهياكل الأنابيب النانوية المصنعة بدقة هي أدوات قياسية في مختبرات الأبحاث المتقدمة.

والخطوة التالية هي التحقق التجريبي. وإذا نجح هذا الأمر، فإنه يمثل بداية جيل جديد من مصادر الإشعاع فائقة الصغر. ما يثيرني أكثر بشأن هذه التكنولوجيا ليس فقط الفيزياء، ولكن ما تمثله.

لقد قادت المسرعات واسعة النطاق تقدما علميا هائلا، لكنها تظل بعيدة المنال بالنسبة لأغلب المؤسسات. ومن الممكن أن يعمل المسرع المصغر الذي يقدم أداءً مماثلاً على إضفاء الطابع الديمقراطي على القدرة على الوصول إلى أدوات البحث ذات المستوى العالمي، مما يجعل العلوم الحدودية في أيدي العديد من الباحثين.

قد يتضمن مستقبل تسريع الجسيمات آلات كبيرة جدًا لزيادة حدود الطاقة والكثافة والاكتشاف، بالإضافة إلى مسرعات أصغر حجمًا وأكثر ذكاءً ويمكن الوصول إليها بسهولة.

كارستن بي ويلشأستاذ الفيزياء، جامعة ليفربول

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.