من الفحوصات الطبية إلى المركبات الفضائية: القوة الخفية لمسرعات الجسيمات
© Photo / Image Editor/CERN
تابعنا عبر
لا تقتصر وظيفة مسرعات الجسيمات على استكشاف أسرار الكون فحسب، بل تُستخدم أيضًا في إنتاج النظائر الطبية، وتصنيع الرقائق الإلكترونية، واختبار المعدات اللازمة للبعثات الفضائية.
يشرح الفيزيائي سيرجي غافريلوف كيف تُحوّل هذه الأجهزة الفيزياء الأساسية إلى تقنيات تدعم الحياة العصرية.
الآلات وراء التقنيات اليومية
عندما يسمع الناس عن مسرعات الجسيمات، غالبًا ما يتخيلون مصادم الهادرونات الكبير في سيرن، حيث يقوم العلماء بتصادم الجسيمات لاستكشاف البنية الأساسية للمادة. مع ذلك، تخدم معظم المسرعات أغراضًا عملية أكثر بكثير، من التشخيص الطبي إلى تصنيع الإلكترونيات.
في مقابلة أجرتها معه مجلة "بوابة روسيا العلمية" في أبريل/نيسان 2023، أوضح سيرغي غافريلوف، رئيس مختبر الحزم في معهد البحوث النووية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، مدى إسهام هذه الأجهزة في التكنولوجيا الحديثة.
في ذلك الوقت، قدّر غافريلوف أن حوالي 40 ألف مسرّع جسيمات تعمل في جميع أنحاء العالم، منها 5% فقط مخصصة للفيزياء الأساسية، وشكّلت التطبيقات الطبية نحو 30%، بينما دعمت نسبة مماثلة عملية زرع الأيونات، وهي عملية أساسية في صناعة أشباه الموصلات.
مبدأ التشغيل بسيط للغاية، حيث تستخدم مسرّعات الجسيمات مجالات كهربائية مضبوطة بدقة لزيادة طاقة الجسيمات المشحونة، بينما توجه المجالات المغناطيسية حركتها وتركّزها.
في المسرّعات الخطية، تتحرك الجسيمات في مسار مستقيم ويمكنها الاصطدام بهدف مُحدد،أما الأجهزة الدائرية، فتوجه الجسيمات حول حلقة، مما يسمح بتسريعها بشكل متكرر، ويستخدم مصادم الهادرونات الكبير حزمتين متقابلتين لإحداث تصادمات بطاقات عالية للغاية.
كيف تُسهم المُسرّعات في الطب واستكشاف الفضاء
يُعدّ إنتاج النظائر المشعة للتصوير الطبي أحد أهم تطبيقاتها، فمن خلال توجيه بروتونات عالية الطاقة نحو هدف مُناسب، يستطيع العلماء تحفيز تفاعلات نووية تُنتج نظائر تُستخدم في المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية.
تُمكّن هذه المواد أنظمة التصوير الطبي، مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، من فحص العمليات داخل الجسم، وقد سلّط غافريلوف الضوء على إنتاج النظائر للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني، والاستخدام المُحتمل لحزم المُسرّعات في العلاج الإشعاعي التجريبي فائق الجرعة، والذي يُعرف غالبًا باسم علاج FLASH.
كما تُساعد المُسرّعات المهندسين على تجهيز الأنظمة الإلكترونية للعمل في البيئات القاسية. فالأقمار الصناعية تتعرض باستمرار لجزيئات عالية الطاقة قادمة من الفضاء، والتي يُمكن أن تُلحق الضرر تدريجيًا بالمكونات الإلكترونية، وتُسبب أعطالًا، وتُقلل من موثوقيتها.
ومن خلال تعريض المواد والدوائر لحزم إشعاعية مُتحكّم بها، يستطيع الباحثون دراسة كيفية تدهورها، وتحديد مكونات أكثر مقاومة للإشعاع. بحسب غافريلوف، يمكن لتجارب المسرعات محاكاة التعرضات الإشعاعية المتراكمة الكبيرة خلال فترة زمنية أقصر بكثير، مع أن الاختبارات المعجلة لا تحاكي بدقة جميع الظروف الموجودة في الفضاء.
وإلى جانب هذه التطبيقات، تدعم المسرعات عمليات اللحام الصناعي، والتعقيم، وبحوث المواد، وإنتاج أشباه الموصلات، ويمتد تأثيرها بشكل غير مباشر إلى التكنولوجيا الرقمية. فقد تم اختراع شبكة الإنترنت العالمية في مركز سيرن عام 1989 لتحسين تبادل المعلومات بين الباحثين، مما يُظهر كيف يمكن للبنية التحتية العلمية أن تُحفز ابتكارات تتجاوز بكثير غرضها الأصلي.
لماذا لا تعني الطاقة الأكبر سرعةً تفوق سرعة الضوء؟
تكشف الفيزياء الكامنة وراء تسريع الجسيمات عن تمييز آخر مثير للاهتمام: عند الطاقات العالية للغاية، تُحدث إضافة الطاقة تغييرات طفيفة للغاية في السرعة.
أفاد غافريلوف أن المسرع الخطي في معهده قادر على إنتاج جسيمات بطاقات تصل إلى 305 ميغا إلكترون فولت، أي ما يعادل 66% تقريبًا من سرعة الضوء للبروتونات.
في مرافق مثل مصادم الهادرونات الكبير، تسافر الجسيمات بسرعة تقارب سرعة الضوء. مع ذلك، تنص نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين على أن جسمًا ذا كتلة لا يمكنه بلوغ سرعة الضوء في الفراغ، لأن ذلك يتطلب كمية هائلة من الطاقة.
لذا، غالبًا ما يصف الفيزيائيون أداء المسرعات بدلالة طاقة الجسيمات بدلًا من سرعتها، فحتى مع تغير السرعة بشكل طفيف، يمكن للطاقة الإضافية أن تُحدث تغييرًا جذريًا في التفاعلات الفيزيائية التي يمكن للتجارب دراستها.
أما بالنسبة لغافريلوف، فإن صيانة هذه الأجهزة المتطورة تُمثل تحديًا يتجاوز حدود الفيزياء، ففي عام 2023، حذر من أن متوسط أعمار المتخصصين الذين يُشغلون مسرع معهده المُتقادم يتجاوز الستين عامًا، مما يجعل نقل المعرفة التقنية إلى الأجيال الشابة أمرًا بالغ الأهمية.
