الرؤية عبر الرصاص بميونات صنعها الليزر

الميون قريب ثقيل للإلكترون. وبفضل كتلته الأكبر بكثير، يفقد قليلًا من الطاقة عند عبور المادة، ويستطيع اختراق سماكات هائلة من الصخر أو المعدن.

هذا هو أساس التصوير الميوني (muography): التقاط «صور أشعة» لأجسام ضخمة أو كثيفة بواسطة الميونات. فقد كشف عام 2017 عن فراغ كبير داخل هرم خوفو، واستُخدم لسبر براكين مثل أساما وإتنا، وكذلك المناجم وأنفاق السكك الحديدية والأنهار الجليدية وحاويات الشحن.

حدود ميونات السماء

حتى الآن، اعتمد التصوير الميوني على الميونات الكونية وحدها، وهي تنتج طبيعيًا حين تصطدم الأشعة الكونية بالغلاف الجوي. تدفقها ضعيف، نحو ميون واحد لكل سنتيمتر مربع في الثانية، لذا تطول مدة التعريض. وهي تأتي في معظمها من الأعلى، ولا أحد يتحكم في طاقتها أو اتجاهها.

البديل: صنع حزمة ميونات اصطناعية بالليزر. فـ«التسريع بموجة الأثر الليزرية» (laser wakefield acceleration) يمكنه دفع الإلكترونات إلى نحو 10 جيغا إلكترون فولت عبر بضعة سنتيمترات من الغاز. وعندما تصطدم هذه الإلكترونات بهدف صلب، تُنتج ميونات. وقد تأكد وجود ميونات صنعها الليزر لأول مرة عام 2025، في شنغهاي وعلى ليزر BELLA في بيركلي، لكنها رُصدت بشكل غير مباشر فقط.

التجربة

أُنجز العمل في ELI-NP (البنية التحتية للضوء الفائق – الفيزياء النووية، Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics) في ماغوريلي برومانيا، باستخدام ذراعها الليزرية بقدرة 10 بيتاواط: 230 جولًا تُطلق خلال 23 فيمتوثانية، بمعدل طلقة واحدة في الدقيقة على الأكثر. واستخدمت الحملة 230 طلقة.

• أنتج هدف غازي طوله 60 مم إلكترونات تصل طاقتها إلى 8 جيغا إلكترون فولت.
• اصطدمت هذه الإلكترونات بكتلة رصاص أبعادها 40 × 40 × 50 سم. وهناك أنتجت أشعة غاما أزواجًا من الميونات والميونات المضادة (عملية بيته–هايتلر).
• أوقف درع كثيف، مؤلف من 100 سم من البولي إيثيلين و60 سم من البارافين والرصاص وجدار من الخرسانة المسلحة سماكته متران، النيوتروناتِ وأشعةَ غاما غير المرغوب فيها.
• سجّلت الحزمةَ ثلاثةُ كواشف صُممت للتصوير الميوني. أحدها، µ36، كان مثبتًا في شاحنة صغيرة نُقلت إلى مسافات 20 و29 و42 مترًا من المصدر، وحتى 6 أمتار جانبًا.
• أعادت محاكاة مونت كارلو مفصّلة (GEANT4) إنتاج الإعداد بأكمله، طلقةً طلقة، انطلاقًا من أطياف الإلكترونات المقيسة.

ما الذي قاسوه

• مقطع الحزمة: قمة متمركزة على المحور، عرضها 4.51 م (عند منتصف الارتفاع) على بعد 20 م و6.35 م على بعد 29 م، أي زاوية انفراج تبلغ نحو 12.6°. وتعطي المحاكاة 4.43 م و6.27 م.
• على بعد 20 م، يأتي 86.9 % من الطاقة المترسبة في الكاشف من الميونات، رغم أن الجسيمات غير المرغوب فيها أكثر عددًا.
• طاقة الميونات: بضعة جيغا إلكترون فولت، حتى 6–7. وتحتاج الميونات إلى 1.5 جيغا إلكترون فولت على الأقل لتبلغ الكواشف.
• الصورة: جسم من الرصاص أبعاده 20 × 25 × 100 سم، وُضع على بعد 23 م من المصدر، صُوّر عبر 30 طلقة ليزر. حجمه المعاد بناؤه: 22.5–25 سم، والجسم الحقيقي سماكته 25 سم. وتنخفض الإشارة خلفه بنحو 26 %. الدقة: 2.5 سم، وهو عرض قضيب واحد من الكاشف.
• في المحاكاة، من دون الميونات لا تُنتج أشعة غاما والنيوترونات هذه الصورة، بل خلفية مسطحة فحسب.

ما بعد ميونات السماء

بحسب المؤلفين، هذا أول تصوير تهيمن عليه حزمة ميونات اصطناعية يولّدها الليزر. فالمصدر الاصطناعي يوفر تدفقًا أقوى، وتحكمًا في الاتجاه والطاقة، فلا مزيد من انتظار السماء. وقد يفيد أيضًا في مطيافية لفّ الميون (muon spin spectroscopy) ودراسات النيوترينو. وتهدف الحملات المقبلة إلى طاقات إلكترونات أعلى وكواشف مصممة للتدفقات العالية.