حزمة ميونات مدفوعة بالليزر تفتح آفاقاً جديدة للفحص غير الإتلافي للمواد

إن رؤية سوبرمان بالأشعة السينية ليست خارقة كما يبدو. فالأشعة السينية تصلح لتصوير الأجسام الرقيقة أو الفحوص الطبية، لكن الجدران الخرسانية السميكة والحواجز الرصاصية الكثيفة تحجب الأشعة السينية تماماً. وقد وجد الفيزيائيون حلاً يتمثل في استخدام جسيمات الميون (muons)، التي تُنتج عبر ليزر قوي، مما يمكنها من اختراق المواد الكثيفة التي تحجب الأشعة السينية بسهولة. وقد نجح فريق بحثي من رومانيا، يعمل في منشأة البنية التحتية للضوء المتطرف - الفيزياء النووية (ELI-NP)، بقيادة مادلينا دوبر، في استخدام حزمة ميونات اصطناعية مدفوعة بالليزر لتصوير أجسام لأول مرة.

تتميز حزم الميونات الاصطناعية بخصائص قابلة للتعديل، مما يمنحها أهمية عملية كبيرة في فحص الأجسام الكثيفة التي تعيق تقنيات التصوير الأخرى.

يمكن للميونات الكونية الطبيعية، التي تُستخدم في تقنية المسح من الجيل القادم، اختراق الغلاف الجوي العلوي للأرض والتوغل في الهياكل الصلبة، مما يتيح تصويراً غير إتلافي للأجزاء الداخلية المخفية. فقد نجحت «تقنية تصوير الميونات» سابقاً في رسم خرائط للهياكل الداخلية المخفية، مثل الغرفة السرية التي اكتُشفت داخل الهرم الأكبر في الجيزة عام 2023. ومع ذلك، يظل وقت المسح بطيئاً بشكل غير عملي، لأن تدفق الجسيمات الكونية الطبيعية يصل ببطء شديد. وتستخدم المنشآت الحالية معجلات الجسيمات التقليدية لإنتاج حزم منخفضة الطاقة، بينما تتطلب الميونات عالية الطاقة تفاعلاً بين إلكترونات يتم تسريعها بحقول مدفوعة بالليزر وأهداف صلبة.

تقنية تصوير ثورية

تمكن باحثو المعهد الوطني هوريا هولوبي في رومانيا من التغلب على تحدي السرعة، حيث نجحوا لأول مرة في إنتاج صور باستخدام حزم ميونات اصطناعية. وتتيح تقنيتهم المدفوعة بالليزر توليد تدفقات جسيمات قابلة للتحكم حسب الطلب، مما يفتح الباب أمام تصوير عملي سريع وموثوق.

استخدم فريق دوبر ليزر عالي الطاقة في منشأة ELI-NP في رومانيا، لإنتاج أول صورة تهيمن عليها ميونات اصطناعية مدفوعة بالليزر. يقوم الليزر بتسريع إلكترونات عبر غاز، ثم يوجهها نحو هدف صلب، مما يولد نبضات ضوئية تنتج أزواج ميونات. وبعد ترشيح الجسيمات غير المرغوبة عبر بلاستيك وشمع وجدار خرساني يبلغ سمكه 2 متر، سجل كاشف موجود داخل شاحنة ظل كومة من الطوب الرصاصي. وبمقارنة نتائج القياس هذه مع محاكاة حاسوبية، تأكد أن حوالي 90% من الجسيمات عالية الطاقة المكتشفة هي ميونات مطابقة للنموذج المصدري.

«من خلال مقارنة البيانات مع محاكاة مونت كارلو، تأكدنا من أن ملف الحزمة المقاسة وتصوير الجسم يتوافقان مع ميونات اصطناعية بطاقة بضع جيجا إلكترون فولت. وبمعلوماتنا، يمثل هذا أول عرض للتصوير الذي تهيمن عليه ميونات اصطناعية مدفوعة بالليزر»، كما كتب الفريق في ورقة بحثية مسبقة النشر.

تقليل كبير في وقت المسح

لا تزال الصور الأولية للمسح العميق حسب الطلب في المنشأة غير واضحة؛ فهي تبدو حبيبية ومنخفضة الدقة، أشبه بظلال خشنة منها إلى مسح عالي الدقة. ومع ذلك، يغير إثبات المفهوم كل شيء. فتصوير الميونات بأشعة كونية طبيعية ينتج حوالي ميون واحد فقط لكل سنتيمتر مربع في الثانية، في حين يمكن للنبضات المدفوعة بالليزر توليد ملايين الجسيمات في لحظة، مما يقلل وقت المسح بشكل كبير. وسيقلل توليد حزم ميونات مركزة حسب الطلب وقت المسح من نصف عام في الأصل إلى بضع دقائق. وقد تتيح الإصدارات المستقبلية للمهندسين فحص الجسور المتهالكة، ومساعدة الجيولوجيين في رسم خرائط للرواسب المعدنية تحت الأرض، وتمكين مفتشي الحدود من اكتشاف مواد نووية شديدة التحصين مخبأة داخل الحاويات.

يمكن لعلماء البراكين أيضاً الاستفادة من هذه التقنية لرسم خرائط لغرف الحمم البركانية والأنابيب البركانية الداخلية، مما يساعد في التنبؤ بالثورانات.

إمكانات تطبيق تقنية الميونات المدفوعة بالليزر

يجلب استخدام تقنية حزم الميونات المدفوعة بالليزر تقدماً ثورياً في فحص المواد، لا سيما في مجال التصوير غير الإتلافي. فهذه التقنية لا تتيح فقط توليد تدفقات جسيمات عالية الطاقة بسرعة، بل تقلص أيضاً وقت المسح بشكل كبير، مما يرفع كفاءة الفحص. وفي المستقبل، سيتوسع نطاق تطبيق هذه التقنية ليشمل فحص سلامة الجسور، واستكشاف الموارد تحت الأرض، ومراقبة النشاط البركاني، وهو ما يكتسي أهمية كبيرة لضمان السلامة العامة وإدارة الموارد.