عرض الأشعة السينية في النار

التحقيق في هيكل أيونات تم الرفع في المختبر

يُعد FLASH ذو الإلكترون الحر المصدر الوحيد في جميع أنحاء العالم لإشعاع الليزر في نطاق الأشعة السينية اللينة. © DESY هامبورغ
قراءة بصوت عال

الأشعة السينية مسألة النجم باستخدام الليزر - لقد فعل العلماء ذلك الآن. على عكس الأقمار الصناعية والتلسكوبات ، لم يدرس الفيزيائيون البلازما المتوهجة للأجواء النجمية في الفضاء ولكن مباشرة في المختبر ، وللمرة الأولى ، قام العلماء بالإثارة وقياس بدقة خط طيفي للأيونات المشحونة للغاية.

لا يتم إنتاج الأيونات عالية الشحن إلا في درجات حرارة عالية جدًا بملايين أو حتى مليارات الدرجات المئوية - تسود ظروف مثل هالة الشمس. في هذه البيئة القاسية ، تفقد الذرات معظم إلكتروناتها عن طريق تصادمها مع بعضها البعض ، على سبيل المثال ، يحتفظ الحديد الذي يحتوي على 26 فقط فقط بثلاثة فقط مرتبطة بقوة بالنواة. تُظهِر هذه الإلكترونات المتبقية خواصًا غير معتادة: فهي تظل قريبة من النواة الذرية ، وأحيانًا داخلها ، وبالتالي تشعر بقوة حقولها الكهربائية والمغناطيسية.

والنتيجة هي تحولات الخطوط الطيفية الذرية ، والتي تحدث بشكل أضعف في الذرة المحايدة ، ولكن يصعب تمييزها في التفاعل المعقد بين الإلكترونات الكثيرة. يتم وصف هذه الظواهر من خلال الديناميكا الكهربائية الكمية (QED) ، واحدة من النظريات الفيزيائية الأساسية. يسمح القياس الدقيق للأيونات المشحونة بدرجة كبيرة بالتحقق التجريبي من التنبؤات النظرية المهمة ل QED. لذلك ، فإن اهتمام علماء الفيزياء في هذا النجم في المختبر كبير.

وراء الحد الممكن من الناحية النظرية

ساهم باحثون بقيادة ساشا إيب وخوسيه كريسبو لوبيز أوروتيا من معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ مساهمة حاسمة في هذا المجال ، وطبقوا طريقة قياس دقيقة للغاية للذرات المحايدة ، مطيافية الرنين الفلوري ، الأيونات ، وبالتالي تحديد وتيرة الانتقال الإلكتروني من 23 مرة الحديد موجب الشحنة إلى بضعة ملايين. من حيث الدقة ، يتجاوز قياسها بالفعل حدود الاحتمالات النظرية اليوم.

يوضح Crespo López-Urrutia: "الديناميكا الكهربية الكمالية هي الأدق في الوقت الحالي من بين جميع النظريات الفيزيائية": تلعب أيضًا الأشكال الرياضية للديناميكا الكهربائية الكمية دورًا رئيسيًا في وصف جميع القوى المعروفة الأخرى ، على سبيل المثال في فيزياء الطاقة العالية. لذلك ، تشكل QED لبنة أساسية لفهمنا الفيزيائي الحديث. "من المستغرب أن علماء الفيزياء في جميع أنحاء العالم يعملون على التحقق من تنبؤات QED عن كثب. عرض

الأشعة في ضوء "الأشعة السينية" الناعمة

تم إجراء تجربة علماء Max Planck فقط من خلال ليزر FLASH الإلكترون الحر الجديد ، والذي أصبح متاحًا مؤخرًا في DESY في هامبورغ: يعد FLASH ، وهو اختصار لـ Free electron LASer في هامبورغ ، أول ليزر في العالم في العالم. تشع منطقة الأشعة السينية الناعمة. نظرًا لأن الأيونات المشحونة تمتص الأشعة وتنبعث منها بأطوال موجية قصيرة نسبيًا ، لا يمكن تحمسها إلا بصورة مباشرة لتتألق باستخدام الأشعة السينية الجديدة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يتنوع الطول الموجي الذي تنبعث منه FLASH ، وبالتالي تلبية جميع المتطلبات الأساسية لتطبيق مطياف مضان الرنين.

باستخدام ليزر الأشعة السينية ، يمكن توليد البلازما التي يمكن أن تكون ساخنة مثل المناطق الداخلية من النجوم الضخمة. في الوقت نفسه ، من الممكن استخدام جزء من حزمة أشعة الليزر بالأشعة السينية لفحص البلازما الناتجة بطريقة مثبتة زمنياً وبالتالي استكشاف حالة البلازما. DESY هامبورغ

يتم إنتاج أيونات مشحونة للغاية لتجاربهم من قبل العلماء في فخ أيون خاص ، فخ الإلكترون Beam Ion (EBIT): شعاع الإلكترون شديد التركيز يؤين الذرات داخل EBIT إلى حالة الشحن المطلوبة ، وهذا يتوقف على مدى ارتفاع التوتر هو أن يسرع شعاع الإلكترون. في نفس الوقت ، الحقول الكهربائية والمغناطيسية القوية تحبس الأيونات.

ينتج الباحثون بالتالي عدة ملايين من الأيونات المشحونة ، مركزة على حجم الشعر: طوله خمسة سنتيمترات ، ولكن سمكه 250 ميكرون فقط هو Ionenw lkchen ، الذي يصيب بالأشعة السينية لليزر. يقيس الفيزيائيون إشارة الفلورسنت بأدوات مراقبة تشبه أدوات القياس على متن الأقمار الصناعية أو في التلسكوبات الكبيرة - على الأرض ، ومع ذلك ، فإن العلماء يتحكمون في التركيب ودرجة الحرارة عن طريق معلمات التشغيل EBIT من starfire المخزنة.

مزيد من الدقة من خلال قياسات أقصر

القياسات ، مثل تلك التي أجراها فيزيائيو هايدلبرغ باستخدام ليزر الإلكترون ، ممكنة أيضًا من حيث المبدأ بالطرق التقليدية. على سبيل المثال ، يمكن للمرء تحليل الإشعاع المنبعث من البلازما النجمية في المعمل الطيفي. لكن العلماء لم يستنفدوا الليزر الجديد: "وحده ، من خلال القياس لفترة أطول وتحسين خصائص الإشعاع FLASH من خلال ضبط أفضل وكاشفات أكبر ، يمكننا بالفعل تحقيق الدقة تحسن بعامل 100 في المستقبل القريب ، "يوضح Crespo L pez-Urrutia.

في المستقبل ، يريد الفيزيائيون استخدام FLASH لقياس مدة بقاء الإلكترون في حالة من الإثارة. هذه ليست سوى بضعة مليارات من الثانية للأيونات المشحونة للغاية. نظرًا لأن ليزر الإلكترون في هامبورغ يقدم نبضات تقارب طول الوقت الذي يقضيه الإلكترون في المستوى العلوي ، فيمكن تحديده باستخدام ومضات الأشعة السينية من FLASH. يقول Crespo L pez-Urrutia: "على غرار الطريقة التي يحدد بها إيقاع الساعة الذرية من التحولات الإشعاعية للذرات المحايدة ، يمكن للمرء حتى تحديد معيار تردد آخر مع أيونات مشحونة للغاية في المستقبل". "لكن هذا لا يزال حلم المستقبل".

(MPG ، 03.05.2007 - NPO)