ניסוי שדה-שובל מתקדם

ניסוי שדה-שובל מתקדם (באנגלית: Advanced Wakefield Experiment, או AWAKE) הוא ניסוי המתקיים במכון לחקר פיזיקת חלקיקים CERN, הבוחן היתכנות מעשית של מאיץ חלקיקים קווי, אשר יניע אלקטרונים בעזרת אלומת פרוטונים בתווך פלזמה.

מאיצי חלקיקים כיום

כיום, מאיצי החלקיקים הגדולים ביותר שנבנו הם מאיצים מעגליים, אשר משתמשים בתדירויות רדיו כדי ליצור שדות חשמליים ובמגנטים חזקים כדי ליצור שדה מגנטי שיגרום לחלקיקים הטעונים להסתובב במאיץ. כדי שהמתכת ממנה המאיץ בנוי תעמוד בכוחות המופעלים עליה וכשרוצים להאיץ את החלקיקים לאנרגיות גבוהות, יש להגדיל את המאיץ (כיום, למשל, קיים תכנון לבניית מאיץ חלקיקים במתקני CERN בהיקף של כ-100 ק"מ). נוסף על כך, במאיצים מעגליים כשעורכים ניסויים על חלקיקים קטנים כמו אלקטרונים קיים איבוד רב של אנרגיה ולכן לא ניתן להגיע בעזרתם למסקנות משמעותיות^[1].

לעומת זאת, מאיץ פלזמה קווי יכול לאפשר כוחות חשמליים גדולים פי 1000, וכך להגיע לאותה אנרגיה במאיץ באורך כ-100 מטרים בלבד^[2].

האצה בפלזמה בעזרת אלומת פרוטונים

פלזמה הוא מצב צבירה של חומר בו האטומים מהם מורכב החומר עברו יינון והחומר מורכב מיונים חיוביים ואלקטרונים חופשיים. כאשר מעבירים אלומת פרוטונים דרך "מרק" האלקטרונים, המטען החיובי של הפרוטונים מושך לכיוון האלומה את האלקטרונים, אולם כשהם מתקרבים אחד אל השני, האלומה כבר המשיכה בתנועתה ולכן האלקטרונים מתחילים לדחות זה את זה. כשהאלקטרונים מתרחקים אחד מהשני, באמצע הדרך ביניהם (היכן שקודם לכן עברה אלומת הפרוטונים) נוצר מטען חשמלי חיובי יחסית למרחב סביבם ולכן האלקטרונים נמשכים שוב זה אל זה וחוזר חלילה, ונוצרת תנודה מחזורית של אלקטרונים לאורך נתיב האלומה. תנודות אלו גורמות לכך שנוצרים שדות חשמליים במסלול האלומה שמחליפים כיוון בהתאם לתנודת האלקטרונים. אם משגרים אלקטרון לאורך נתיב האלומה בתזמון מדויק, הוא יכול, כמו גולש גלים שמתקדם יחד עם הגל, להישאר כל הזמן תחת השפעה של שדה חשמלי שמכוון בניגוד לכיוון תנועתו ולכן, בגלל הכוח החשמלי הפועל עליו, להאיץ קדימה^[3].

ניסוי ה-AWAKE

עד 2013, כל הניסויים שבחנו האצת חלקיקים בפלזמה עשו שימוש באלקטרונים או בלייזר כמניעים. לעומת זאת, בסתיו 2013 הודיע המרכז האירופי לחקר פיזיקת חלקיקים CERN כי הם מתכוונים ליצור ניסוי בהאצת חלקיקים בפלזמה, בו אלקטרונים מואצים בעזרת פרוטונים. מכיוון שלפרוטונים יש אנרגיה רבה יותר, השובל שהם יוצרים "דועך" לאט יותר כאשר משתמשים בלייזר כמניע ומאפשר התקדמות רבה יותר של החלקיקים המואצים^[4]. הפרוטונים מואצים במתקן הסופר פרוטון סינכרוטרון לאנרגיה של כמה מאות GeV ומוזרקים לתא באורך של כ-10 מטרים המלא ברובידיום במצב צבירה של פלזמה. הארה של קתודה בלייזר גורמת לפליטה של אלקטרונים (האפקט הפוטו-אלקטרי) אותם מאיצים בניסוי^[5].

העבודות על הניסוי התחילו בסתיו 2013. בשנת 2016 מדעני CERN הצליחו לגרום לתנודות אלקטרונים בפלזמה בעזרת שימוש באלומת פרוטונים. באוגוסט 2018 אנשי צוות הניסוי פרסמו מאמר ראשון בו תואר ניסוי שכולל גם הזרקת אלקטרונים לתא הפלזמה. במסגרת הניסוי הצליחו להאיץ את האלקטרונים מאנרגיה של 10–20 MeV לאנרגיה של כ-2 GeV בעשרה מטרים - פי 40 יותר מאשר במאיץ המעגלי הגדול ביותר (LHC). כיום החוקרים ממשיכים במדידות, במטרה להצליח בשנים הקרובות להאיץ אלקטרונים בסדר גודל של GeV למטר^[6].

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא ניסוי שדה-שובל מתקדם בוויקישיתוף

הערות שוליים

^ אסף רונאל, חלקיק של תקווה: הניסוי שעשוי לחלץ את הפיזיקה ממבוי סתום, באתר הארץ, 18 בספטמבר 2018
^ Surfing wakefields to create smaller accelerators | Edda Gschwendtner | TEDxCERN|url=https://www.youtube.com/watch?time_continue=464&v=5Ryp6UTCeUo%7Cdate=2015-11-11%7Caccessdate=2019-06-04%7Clast=TEDx Talks
^ Elizabeth Gibney, CERN prepares to test revolutionary mini-accelerator, Nature News 526, 2015-10-08, עמ' 173 doi: 10.1038/526173a
^ CERN (2018-08-29), AWAKE: Interview with Edda Gschwendtner, Technical Coordinator and CERN Project Leader, נבדק ב-2019-06-04
^ E. Gschwendtner, E. Adli, L. Amorim, R. Apsimon, AWAKE, The Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2nd European Advanced Accelerator Concepts Workshop - EAAC 2015 829, 2016-09-01, עמ' 76–82 doi: 10.1016/j.nima.2016.02.026
^ CERN (2018-08-29), AWAKE: Interview with Edda Gschwendtner, Technical Coordinator and CERN Project Leader, נבדק ב-2019-06-04

[1] אסף רונאל, חלקיק של תקווה: הניסוי שעשוי לחלץ את הפיזיקה ממבוי סתום, באתר הארץ, 18 בספטמבר 2018

[2] Surfing wakefields to create smaller accelerators | Edda Gschwendtner | TEDxCERN|url=https://www.youtube.com/watch?time_continue=464&v=5Ryp6UTCeUo%7Cdate=2015-11-11%7Caccessdate=2019-06-04%7Clast=TEDx Talks

[3] Elizabeth Gibney, CERN prepares to test revolutionary mini-accelerator, Nature News 526, 2015-10-08, עמ' 173 doi: 10.1038/526173a

[4] CERN (2018-08-29), AWAKE: Interview with Edda Gschwendtner, Technical Coordinator and CERN Project Leader, נבדק ב-2019-06-04

[5] E. Gschwendtner, E. Adli, L. Amorim, R. Apsimon, AWAKE, The Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment at CERN, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2nd European Advanced Accelerator Concepts Workshop - EAAC 2015 829, 2016-09-01, עמ' 76–82 doi: 10.1016/j.nima.2016.02.026

[6] CERN (2018-08-29), AWAKE: Interview with Edda Gschwendtner, Technical Coordinator and CERN Project Leader, נבדק ב-2019-06-04

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]