توليد فوتونات غاما عالية الطاقة وإلكترونات أزواج في حقول ليزر شديدة الكثافة ومستقطبة

ضوء شديد لدرجة أنه يخلق المادة

ماذا يحدث عندما تسلط أحد أقوى أنواع الضوء الليزري المنتجة على نبضة صغيرة من الغاز؟ في هذه الدراسة، يستخدم الفيزيائيون محاكيات حاسوبية فائقة لاستكشاف مستقبل قد تولد فيه هذه الليزرات ليس فقط دفعات مكثفة من أشعة غاما، أكثر أشكال الضوء طاقة، بل وتخلق أيضاً المادة والمادة المضادة من هذا الضوء. يبينون أن مجرد تدوير المجال الكهربائي لليزر في دائرة بدل السماح له بالتأرجح ذهاباً وإياباً يمكن أن يغير بشكل كبير كفاءة إنتاج هذه الجسيمات والأشعة المتطرفة ومدى تقارب حزمها.

لماذا يهم استقطاب الضوء

يمكن لليزرات عالية القدرة الحديثة أن تصل إلى شدة تتجاوز فيها قواعد تفاعل الضوء مع المادة التقليدية وتدخل عالم كهروديناميكا الكم الغريب، حيث يشع الإلكترون طاقته في ومضات مفاجئة وقوية، ويمكن للفوتون الفردي أن يتحول إلى زوج من إلكترون ونظيره من المادة المضادة، البوزيترون. في هذا العمل، يدرس المؤلفون طريقتين شائعتين لاستقطاب ضوء الليزر: الاستقطاب الخطي، حيث يتأرجح المجال الكهربائي في اتجاه ثابت، والاستقطاب الدائري، حيث يدور ذلك المجال مثل عقرب الساعة أثناء انتقال الضوء. على الرغم من أن هاتين الحالتين تحملان نفس الطاقة الإجمالية، فإنهما تدفعان الجسيمات المشحونة على مسارات مختلفة جداً، وتتحكم تلك المسارات في كل من سطوع وحدّة حزم الإشعاع والمادة الناتجة.

تجربة افتراضية مع ليزرات متطرفة

نظراً لأن الشدات محل الاهتمام أعلى مما توفره منشآت الملتِ‑بتال الحالية بشكل روتيني، لجأت الفرقة إلى محاكيات ثلاثية الأبعاد من نوع الجسيم‑في‑الخلايا، وهو نوع من التجارب العددية المبنية على المبادئ الأولى. نمذجوا نبضة ليزر فائقة الشدة تضرب كتلة من غاز الهيدروجين المؤين، حيث اختيرت الكثافة بحيث يمكن لليزر أن يحفر قناة خلالها مع الاستمرار في إمساك الإلكترونات بقوة. من خلال تتبّع مليارات «الجسيمات الفائقة» الحاسوبية وضمّ العمليات الكمومية الأساسية — تفاعل الإشعاع، حيث يفقد الإلكترون طاقة بإصدار فوتونات قاسية، ونظير عملية بريت‑ويهلر التي تتحول فيها تلك الفوتونات إلى أزواج إلكترون‑بوزيترون — تتبع المحاكيات السلسلة الكاملة من طاقة الليزر إلى حركة البلازما، وومضات أشعة غاما، وأخيراً إنتاج الأزواج.

تشكيل حزم من الضوء والمادة

تكشف المحاكيات أن النبضات المستقطبة دائرياً توجه الإلكترونات في مسارات حلزونية أكثر نعومة على طول قنوات تتولد ذاتياً في البلازما. هذه الحركة المستقرة تبقي الإلكترونات معرضة لحقول قوية لفترة أطول وتحافظ على طاقتها، مما يعزز متغيراً رئيسياً يقيس مدى «كمومية» تفاعلها مع الضوء. نتيجة لذلك، تنتج الحالة الدائرية أشعة غاما أكثر طاقة — تصل إلى مدى مليارات إلكترون فولت — وأكثر توازيًا من تلك الناتجة عن نبضة مستقطبة خطياً. وينطبق الاتجاه نفسه على الإلكترونات المولودة من تفاعلات الفوتون‑فوتون: الأزواج المخلوقة تحت الاستقطاب الدائري تشكل شعاعاً أضيق وأعلى طاقة، بينما يولد الاستقطاب الخطي رشّة أوسع من جسيمات أقل طاقة لكن بأعداد أكبر.

موازنة الجودة والكمية

من خلال مقارنة مقدار طاقة الليزر الذي ينتهي به المطاف في أشعة غاما وفي الإلكترونات المولدة حديثاً، يحدد المؤلفون مقايضة يتحكم فيها الاستقطاب. يحوّل الاستقطاب الدائري قليلاً من طاقة الليزر إلى فوتونات عالية الطاقة ويقنّن هذه الطاقة في شعاع جسيمات حاد التوجيه وفائق النسبيّة — مثالي للتطبيقات التي تحتاج مصدراً ساطعاً ومحدداً الاتجاه. أما الاستقطاب الخطي، فيولّد إجمالي عدد أكبر من الأزواج، رغم أن كل منها يحمل طاقة أقل ويخرج بزاوية أوسع. كما يتحقق البحث من بقاء هذه الاستنتاجات صحيحة عندما يصطدم الليزر بالبلازما بزويا صغيرة بدل السقوط العمودي، فوجد تغيرات متواضعة في الذروة الطاقية ولا انقلاب في الاتجاهات العامة.

تحويل «التدوير» في الليزر إلى مقبض تحكم

يُظهر العمل أنه، في عالم الضوء المتطرف، يمكن أن يكون لكيفية تدوير المجال الكهربائي لليزر أهمية مساوية لأهمية شدة الليزر نفسها. تعمل النبضات المستقطبة دائرياً كأدوات دقيقة، تحفر قنوات في البلازما وتطلق نفاثات محكمة التركيز من أشعة غاما عالية الطاقة وأزواج إلكترون‑بوزيترون، بينما تعمل النبضات ذات الاستقطاب الخطي كفرش واسعة، إنتاج سحابة أكبر لكن أقل تنظيمًا من الجسيمات الجديدة. مع دفع منشآت الجيل التالي بشدات الليزر نحو المستويات المستكشفة هنا، قد يصبح التحكم في الاستقطاب مقبضاً عملياً لتفصيل مصادر أشعة غاما والمادة المضادة المستقبلية، مع استخدامات تتراوح بين استقصاء بنية نوى الذرات وإعادة خلق بيئات فلكية داخل المختبر.

الاستشهاد: Agarwal, S., Gupta, D.N. High-energy \(\gamma\)-photons and pair electrons generation in polarized ultraintense laser fields. Sci Rep 16, 11945 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42431-0

الكلمات المفتاحية: ليزرات فائقة الشدة, أشعة غاما, أزواج إلكترون-بوزيترون, استقطاب الليزر, كهروديناميكا كمية في الحقول القوية