מרכז המחקר CERN בשווייץ הוא מוקד עלייה לרגל עולמי של פיזיקאים של אנרגיות גבוהות. מאיץ החלקיקים העיקרי שפועל בו, הקרוי Large Hadron Collider או LHC, מסוגל להאיץ פרוטונים למהירות קרובה למהירות האור בתוך טבעת שאורכה 27 קילומטר.
המערכת הגדולה והמורכבת הניבה שלל גילויים בפיזיקת החלקיקים, ובראשם מציאתו של בוזון היגס ב-2012, שהיה אחד מהאירועים המדעיים הגדולים של המאה הנוכחית. אולם הקמת הפרויקט הזה והפעלתו השוטפת דורשות משאבים כלכליים עצומים וצריכת החשמל שלו אדירה אף היא.
איך יוכלו הפיזיקאים בעתיד להאיץ חלקיקים לאנרגיות גבוהות אף יותר, בלי להקים עוד מתחם שאפתני בעלויות אסטרונומיות? לשם כך יידרש שינוי תפיסה שיאפשר לבצע ניסויים כאלה באופן הרבה יותר קומפקטי וזול. כאן נכנסת לתמונה שיטה בשם האצת פלזמה, שהוצעה לראשונה לפני 45 שנה וכעת צוברת תאוצה רבה.
מוצק, נוזל, גז ו...
פלזמה היא מצב צבירה נוסף מעבר לשלושת מצבי הצבירה המוכרים יותר: מוצק, נוזל וגז. מדובר במצב דומה לגז, אך כזה שחלק ניכר מהאטומים או המולקולות המרכיבים אותו איבדו חלק מהאלקטרונים שלהם והפכו ליונים - חלקיקים בעלי מטען חשמלי. פלזמה נוצרת בתהליך שנקרא יינון, וניתן ליצור אותה על ידי חימום או הקרנה של חומר בשדה אלקטרומגנטי חזק, למשל באמצעות לייזר.
המטען החשמלי הכולל של הפלזמה הוא ניטרלי, מכיוון שמטען האלקטרונים שלילי והיונים האחרים טעונים חיובית. עם זאת, מאחר שפיזור החלקיקים במרחב לעולם אינו אחיד, יש בתוך הפלזמה אזורים שבהם הבדלי המטען יוצרים שדה חשמלי מקומי, או הפרש פוטנציאלים.
להבנת העיקרון חִשְׁבו על סירת מנוע ששטה באגם. במהלך תנועתה הסירה יוצרת בקרבתה אדוות מהירות, כך שגולש גלים שיתפוס אדווה כזו ינוע גם הוא מהר. האגם, לענייננו, משול לפלזמה, האדוות הן מרחבים קטנים שנוצר בהם הפרש פוטנציאלים גדול, והגולשים על האדוות הם אלקטרונים, שמואצים מכוח הפרש הפוטנציאלים. השיטה הספציפית הזאת נקראת "האצת שדה עירור בלייזר" (Laser WakeField Acceleration, או LWFA).
בשיטה דומה אחרת, "האצת לייזר ישירה" (Direct Laser Acceleration, או DLA), האלקטרונים אינם נזקקים לאדוות הללו, והם מואצים וצוברים אנרגיה רק מעצם האינטראקציה בין הלייזר לבין הפלזמה. בטמפרטורות מסוימות, שני התהליכים מתרחשים זה לצד זה, כך שאלקטרונים מואצים הן במקביל לכיוון השדה החשמלי והן בניצב לו.
פתרון של זהב
מחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Science Advances מצא כי על מנת לבצע האצת לייזר ישירה, מוטב להשתמש בחומרים שבאטומים שלהם יש אלקטרונים רבים, אחרת יעילותו פוחתת. את המחקר הוביל הדוקטורנט איתמר כהן, עם עמיתיו מהמעבדה לפוטוניקה גרעינית של אוניברסיטת תל אביב ומאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, בהנחיית הפיזיקאי הגרעיני ד"ר ישי פומרנץ.
"הלייזרים הלכו והתחזקו עם השנים, אבל שמנו לב שאלומות האלקטרונים שמיוצרות בשיטת DLA לא הגיעו לאנרגיות הגבוהות שהתיאוריה חוזה", מסביר כהן בשיחה עם אתר מכון דוידסון. "במחקר הזה ניסינו להבין למה".
שיטת האצת הלייזר הישירה מבוססת על יצירת תעלה של יונים חיוביים בתוך הפלזמה שבה האלקטרונים מואצים. פולס (פעימה) הלייזר החזק עובר בתעלה הזאת, שולף אלקטרונים נוספים מהחומר ומאיץ את תנועתם.
"במאמר החדש אנו מראים כי כאשר המטרות שמהן נובעת הפלזמה עשויות מחומרים בעלי מספר אטומי נמוך, כל האלקטרונים נשלפים מהחומר עוד לפני שפולס הלייזר מגיע לשיא עוצמתו, כך שללייזר לא נשארים אלקטרונים להאיץ", הוא מוסיף. לכל יסוד בטבלה המחזורית יש מספר אטומי אחר, שזהה למספר הפרוטונים בגרעין שלו. מספר האלקטרונים באטום זהה למספר הפרוטונים, ומכיוון שמטעניהם שליליים וחיוביים בהתאמה, המטען הכולל של האטום נותר ניטרלי בדרך כלל.
לדברי כהן, "מעבדות בכל רחבי העולם נהגו כל השנים להאיץ אלקטרונים ממטרות פלסטיק, שהן זולות ונוחות לשימוש. גם אנחנו נהגנו כך, עד שעלה בדעתנו לבדוק מה יהיה אם במקום פלסטיק נשתמש בזהב". המספר האטומי של זהב הוא 79, גבוה בהרבה משל האטומים המרכיבים פלסטיק; המאמר מראה שכשמשתמשים בזהב, ההאצה נשארת יעילה גם בעוצמות לייזר גבוהות במיוחד.
מעבדתו של ד"ר פומרנץ מאכלסת את מרתפו של בניין קפלון באוניברסיטה, ובמרכזה לייזר בעל הספק רגעי של 20 טרה-וואט. "ההספק הזה גדול בערך פי אלף מתצרוכת החשמל הכוללת של ישראל, אבל הלייזר מספק אותו רק לפרק זמן קצר מאוד: 25 פמטו-שניות. פמטו-שנייה היא מיליונית של מיליארדית של שנייה", הוא אומר. "מכיוון שהלייזר חזק מספיק כדי ליינן גם את האוויר, אנחנו מבצעים את ניסויי ההקרנה בתאים גדולים תחת רִיק. כמו כן, מאחר שהמערכת רגישה מאוד לכל שינוי סביבתי ואף ללכלוכים על המראות, העדשות ובכלל, על 200 הרכיבים בה – המעבדה כולה היא חדר נקי מוקפד למדי".
למה כל זה טוב? "להאצה באמצעות לייזר יש פוטנציאל יישומי בשלל תחומים שכיום אינם ישימים בשל הגודל והמחיר של מאיצי חלקיקים קונבנציונליים", מסכם ד"ר פומרנץ. "יישומים רפואיים כמו הקרנת גידולים סרטניים באלומות פרוטונים, או שיטות שיקוף מתקדמות לזיהוי מהיר בנמלי הים של ניסיונות הברחה במכולות יוכלו להיות זמינים וזולים".
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע. לכתבה באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
