باختصار - مسرعات الجسيمات

وفي حين أن المسرعات الموجودة اليوم تغطي مساحة عشرات الكيلومترات، فإن حجم مثل هذا الجهاز لن يتجاوز عشرات الأمتار.

ماذا سيحدث إذا ركزنا كل ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض على ملليمتر واحد مربع من المادة؟ سنحصل على مادة ذات كثافة طاقة عالية جدًا، وهي في الحالة الرابعة من التجميع وتسمى البلازما - وهي سحابة من الجزيئات تحمل شحنة كهربائية. وتشكل أنواع البلازما المختلفة - التي تختلف عن بعضها البعض في تركيبها وكثافتها ودرجة حرارتها - أكثر من 99% من المادة المرئية في الكون. فمثلاً قلب الشمس يتكون من بلازما مضغوطة جداً تصل درجة حرارتها إلى عشرة ملايين درجة أو أكثر. في ظل هذه الظروف، تحدث عملية الاندماج النووي، وهو مصدر الطاقة الشمسية - تندمج أربع نوى هيدروجين في عملية معقدة في نواة هيليوم واحدة، تنبعث منها كمية هائلة من الطاقة: تظهر الحسابات أن اندماج جرام واحد من ويوفر الهيدروجين كمية الطاقة الناتجة عن حرق حوالي عشرة أطنان من النفط. يحاول العديد من العلماء في أنحاء مختلفة من العالم فهم خصائص البلازما بعمق، على أمل أن تساعد هذه المعرفة في المستقبل، من بين أمور أخرى، في تطوير مفاعلات الاندماج النووي.

كيف يتم إنتاج البلازما "المُروضة" في المختبر؟ أحد الخيارات هو من خلال نقل تيار كهربائي قوي (أكثر من مليون أمبير) في وقت قصير جدًا - أقل من جزء من المليون من الثانية. يقوم المجال المغناطيسي للتيار بضغط المادة المشحونة، وفي نهاية العملية يتم الحصول على بلازما كثيفة وساخنة. يسمى هذا النظام بـ Z-pinch. وثمة خيار آخر هو استخدام أجهزة الليزر التي تنتج ضوءا قويا في فترة زمنية قصيرة وعلى مساحة صغيرة لا تتجاوز بضعة ميكرونات. المواد التي يتم الحصول عليها في مثل هذا النظام لها خصائص بين المادة الصلبة الساخنة وتلك الموجودة في البلازما الساخنة، وتشبه في الخصائص تلك الموجودة في قلوب الكواكب العملاقة مثل المشتري وزحل. وفي كلا الطريقتين يتم الحصول على سحب بلازمية كثيفة وعالية الطاقة، تنبعث منها كمية كبيرة من الضوء. ويفتح هذا الانبعاث الضوئي باباً مهماً - بل فريداً من نوعه - لدراسة خواص البلازما دون التأثير والتداخل مع ما يحدث بداخلها، وذلك باستخدام الطرق الطيفية. "الطيف المنبعث من البلازما يجعل من الممكن الحصول على الكثير من المعلومات: درجة الحرارة والكثافة والمجالات الكهربائية والمغناطيسية وسرعة الجسيمات والمزيد"، يوضح الزميل الدكتور يفغيني ستامبولشيك، من مختبر البلازما في قسم فيزياء الجسيمات و الفيزياء الفلكية في معهد وايزمان للعلوم. ويركز المختبر، الذي يرأسه البروفيسور يتسحاق مارون، على التحليل الطيفي للبلازما عالي الكثافة والطاقة، وتطوير طرق النمذجة لمعالجة البيانات.

بالنسبة لهذه الدراسات، قام مختبر البلازما بتطوير طرق فريدة لتشخيص التفاصيل الدقيقة في الطيف، بما في ذلك التغيرات التي تحدث في فترات زمنية قصيرة تصل إلى جزء من الألف من الثانية. على النقيض من البلازما الفيزيائية الفلكية، التي توجد لفترة طويلة جدًا وبالتالي تصل عادة إلى التوازن، فإن البلازما التي تم إنشاؤها في المختبر لها عمر قصير جدًا - جزء من ألف من المليون من الثانية، في أحسن الأحوال، وحتى أقل في البلازما التي تم إنشاؤها بواسطة الليزر.

خصائص هذه البلازما ليست موحدة، مما يجعل القياسات وتحليل البيانات أمرًا صعبًا. على سبيل المثال، درجة حرارة البلازما - والتي تعد من أهم المؤشرات لفهمها - تتكون في الواقع من مجموعة من البيانات: درجة حرارة الأيون تختلف عن درجة حرارة الإلكترون، وكلاهما يختلف عن درجة حرارة الإشعاع، ويتغيران أيضًا وفقًا لذلك. إلى موقع الجزيئات وحركتها.

ويجري في مختبر البلازما تطوير أساليب تتيح التمييز بين مثل هذه الظواهر، استنادا إلى طيف الضوء المنبعث من البلازما. تُستخدم هذه الطرق أيضًا لقياس الظروف القاسية في البلازما، مثل، على سبيل المثال، المجالات الكهربائية التي تبلغ مليار فولت لكل متر، والمجالات المغناطيسية التي تبلغ مليون جاوس.

ومن أكبر الصعوبات في دراسة البلازما عالية الكثافة والطاقة أن معظم الإشعاع المنبعث من نواة البلازما يتم امتصاصه داخلها، وهو ما يحول دون إمكانية دراسة الظروف السائدة في النواة. ومؤخرا، طور مختبر البلازما طرقا لتحديد درجة الحرارة في مواقع مختلفة داخل النواة بمستوى حساسية لم يتم تحقيقه حتى الآن. تعتمد الطرق على حقيقة أنه في البلازما التي ينتجها الليزر، يحدث نوع خاص من التأين، حيث يتم تمزق الإلكترونات من الطبقات الداخلية للذرات، وليس من الطبقات الخارجية. بعد ذلك، "تقفز" الإلكترونات من الطبقات الخارجية لملء "الثقب"، مطلقة طيفًا مميزًا من الضوء، وهو حساس جدًا لدرجة الحرارة ولا تمتصه البلازما. وبمساعدتها، من الممكن تحديد - بمستوى دقة قدره عشرة ميكرونات - درجة حرارة الإلكترونات "العائمة" في البلازما. وأجريت هذه التجارب بمساعدة نبضات ليزر قصيرة وقوية للغاية، في مختبرات بحثية في ألمانيا وفرنسا، بمشاركة الزميل الدكتور إيال كروب، الذي رافقه كبير الفنيين في المجموعة بيساك ميري. تم تحليل الخطوط الطيفية بواسطة الدكتور ستامبولشيك والدكتور فلاديمير بيرنستام في مختبر البلازما.

وفي دراسة أخرى، أجريت على البلازما المنتجة في مختبر البلازما باستخدام تيار كهربائي (Z-Pinch)، تمكن العلماء من "استخلاص" الإشعاع من قلب البلازما، وذلك باستخدام القفزة المتزامنة لإلكترونين في أيونات البلازما. وبهذه الطريقة تمكنوا من التمييز بين درجة حرارة الأيونات ودرجة حرارة الإلكترونات، وبين الحركة العشوائية للجزيئات (الحركة الحرارية)، والحركة غير الحرارية (المجهرية)، وذلك من خلال استخدام طريقتين: أحدهما يعتمد على ظاهرة دوبلر، والآخر على نموذج يصف التغيرات في المجال الكهربائي. الحركة الحرارية، على عكس الحركة العيانية، تنتج تغيرات في المجال الكهربائي، لأن الجزيئات تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. ولذلك، فإن طرح هذه البيانات من بعضها البعض يجعل من الممكن عزل الحركة العيانية. ويتم تنفيذ هذه التجربة، التي يشارك فيها الدكتور إيال كروب، وطالبا البحث درور ألومات وغاي روزنزويج، في إطار مركز التميز الجامعي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، والذي يضم جامعة كورنيل ومعهد وايزمان للطاقة. العلوم والكلية الإمبراطورية في لندن.

في هذه الأيام، يحاول علماء مختبر البلازما تسخير طريقة تستخدم لإنتاج البلازما لغرض مفاجئ - وهو معجل الجسيمات المدمجة. تعتمد الفكرة على حقيقة أنه عندما يتم تركيز شعاع الليزر على بلازما ذات خصائص معينة، يتم إنشاء مجال كهربائي قوي يتحرك بسرعة الضوء تقريبًا، و"يحمل" معه الإلكترونات. في الواقع، إنه مسرع الجسيمات. ومع ذلك، وبينما تغطي المسرعات الموجودة اليوم مساحة تبلغ عشرات الكيلومترات، فإن حجم مثل هذا الجهاز لن يتجاوز عشرات الأمتار.

وتحاول العديد من المجموعات البحثية في العالم القيام بذلك باستخدام البلازما المنتجة في نظام من الأنابيب الدقيقة، لكن لا يمكن إعادة استخدامها لفترة طويلة. ويتعاون مختبر البلازما في المعهد مع مجموعات من ألمانيا لمحاولة تنفيذ طريقة مختلفة، باستخدام نظام Z-pinch، حيث لا يوجد حد لعدد التجارب المتكررة التي يمكن إجراؤها. في هذه الأيام، بعد العمل المشترك لطالبي البحث ديميتري ميكيتشوك وكريستين ستولبارج، تم تحقيق إنجازات أولية في إعداد بلازما موحدة الطول ولها كثافة خاصة. وفي وقت لاحق، وبالتعاون مع مجموعات في ألمانيا وفرنسا، سيحاولون إنتاج أول مسرع للجسيمات من نوعه.

شخصي

حصل الدكتور يفغيني ستامبولشيك مؤخراً على جائزة الإنجازات العلمية نيابة عن لجنة أبحاث البلازما في الجمعية الأمريكية للهندسة الكهربائية والإلكترونية (IEEE)، والتي تمنح للباحثين الشباب عن الإنجازات في بداية حياتهم العلمية. مُنحت له الجائزة "لمساهمته الاستثنائية في النظرية والنمذجة في مجال توسيع خط الطيف، والذي يتضمن تطوير الأساليب الكمية وتطبيقها على أساليب فريدة في أبحاث البلازما".

أكمل يفغيني ستومبولشيك دراسته الجامعية في الفيزياء في جامعة نوفوسيبيرسك في روسيا. وفي عام 1991 هاجر إلى إسرائيل، ووصل إلى رحوفوت، وانضم إلى مجموعة البروفيسور يتسحاق مارون، حيث أكمل درجتي الماجستير والماجستير.