בקיצור – מאיצי חלקיקים

בעוד המאיצים הקיימים כיום משתרעים על שטח של עשרות קילומטרים, גודלו של מכשיר כזה לא יעלה על עשרות מטרים.

מה יקרה אם נמקד על מילימטר מרובע אחד של חומר את כל אור השמש שמגיע לכדור הארץ? נקבל חומר בעל צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, המצוי במצב צבירה רביעי וקרוי פלסמה – ענן של חלקיקים נושאי מטען חשמלי. סוגים שונים של פלסמה – הנבדלים זה מזה בהרכבם, בצפיפותם ובטמפרטורה שלהם – מרכיבים יותר מ-99% מהחומר הנראה ביקום. כך, לדוגמה, ליבת השמש עשויה מפלסמה דחוסה מאוד, שהטמפרטורה שלה מגיעה לעשרה מיליון מעלות ויותר. בתנאים אלה מתרחש תהליך של מיזוג גרעיני, שהוא מקור האנרגיה של השמש – ארבעה גרעיני מימן מתמזגים בתהליך מורכב לגרעין הליום אחד, תוך שהם פולטים כמות עצומה של אנרגיה: חישובים מראים, כי מיזוג גרם אחד של מימן מספק כמות האנרגיה המופקת משריפה של כעשר טונות נפט. מדענים רבים במקומות שונים בעולם מנסים להבין לעומק את התכונות של הפלסמה, מתוך תקווה שידע כזה יסייע בעתיד, בין היתר, לפתח כורי מיזוג גרעיניים.

כיצד מייצרים פלסמה “מאולפת” במעבדה? אפשרות אחת היא באמצעות העברת זרם חשמלי חזק (מעל מיליון אמפר) בזמן קצר מאוד – פחות ממיליונית השנייה. השדה המגנטי של הזרם דוחס את החומר הטעון, ובסופו של התהליך מתקבלת פלסמה צפופה וחמה. מערכת כזו נקראת Z-pinch. אפשרות אחרת היא להשתמש במכשירי לייזר המייצרים אור חזק בפרק זמן קצר ועל פני שטח קטן של מיקרונים בודדים. החומר שמתקבל במערכת כזו הוא בעל תכונות שבין חומר מוצק חם לאלה של פלסמה חמה, ודומה בתכונותיו לזה שנמצא בליבות של כוכבי לכת ענקיים כמו צדק ושבתאי. בשתי הדרכים מתקבלים ענני פלסמה צפופים ועתירי אנרגיה, הפולטים כמות רבה של אור. פליטת האור הזו פותחת פתח חשוב – ולמעשה יחיד – לחקור את תכונות הפלסמה בלי להשפיע ולהתערב בנעשה בתוכה, באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות. “הספקטרום הנפלט מהפלסמה מאפשר לקבל המון מידע: טמפרטורה, צפיפות, שדות חשמליים ומגנטיים, מהירות החלקיקים ועוד”, מסביר העמית ד”ר יבגני סטמבולצ’יק, ממעבדת הפלסמה במחלקה לפיסיקה של חלקיקים ואסטרופיסיקה במכון ויצמן למדע. המעבדה, בראשותו של פרופ’ יצחק מרון, מתמקדת בספקטרוסקופיה של פלסמה בצפיפות ובאנרגיה גבוהות, ובפיתוח שיטות מידול לעיבוד הנתונים.

לשם מחקרים אלה פיתחה מעבדת הפלסמה שיטות ייחודיות לאבחנת פרטים עדינים בספקטרום, כולל שינויים המתחוללים בפרקי זמן קצרים מאלפית-מיליונית השנייה. בניגוד לפלסמות האסטרופיסיות, אשר קיימות זמן ארוך מאוד ולכן מגיעות בדרך כלל לשיווי משקל, לפלסמות הנוצרות במעבדה משך חיים קצר ביותר – אלפית מיליונית השנייה, במקרה הטוב, ועוד פחות מכך בפלסמות הנוצרות באמצעות לייזר.

תכונותיהן של פלסמות אלה אינן אחידות – דבר שמקשה על המדידות ועל ניתוח הנתונים. כך לדוגמה, טמפרטורת הפלסמה – שהיא אחד המדדים החשובים להבנתה – מורכבת למעשה מאוסף נתונים: מפרטורת היונים שונה מטמפרטורת האלקטרונים, ושתיהן שונות מטמפרטורת הקרינה, ומשתנות גם על פי מיקום החלקיקים ותנועתם.

במעבדת הפלסמה מפתחים שיטות המאפשרות להבחין בין תופעות כאלה, המבוססות על ספקטרום האור הנפלט מהפלסמה. שיטות אלה משמשות גם למדידה של תנאים קיצוניים בפלסמות, כמו, לדוגמה, שדות חשמליים של מיליארד וולט למטר, ושדות מגנטיים של מיליון גאוס.

אחד הקשיים הגדולים במחקר של פלסמות בצפיפות ובאנרגיה גבוהות הוא, שמרבית הקרינה שנפלטת מליבת הפלסמה נבלעת בתוכה – דבר שמונע את האפשרות ללמוד את התנאים השוררים בליבה. באחרונה פיתחה מעבדת הפלסמה שיטות לקביעת הטמפרטורה במיקומים שונים בתוך הליבה ברמת רגישות שלא הושגה עד כה. השיטות מבוססות על כך שבפלסמות המיוצרות באמצעות לייזר מתרחש יינון מסוג מיוחד, שבו האלקטרונים נקרעים מהשכבות הפנימיות של האטומים, ולא מהשכבות החיצוניות. בעקבות זאת, אלקטרונים מהשכבות החיצוניות “קופצים” פנימה כדי למלא את ה”חור”, תוך שהם משחררים ספקטרום אופייני של אור, שהוא רגיש מאוד לטמפרטורה ואינו נבלע בפלסמה. בעזרתו אפשר לקבוע – ברמת רזולוציה של עשרה מיקרונים – את הטמפרטורה של האלקטרונים ה”מרחפים” בפלסמה. הניסויים האלה נערכו בעזרת פולסים של לייזרים קצרים ביותר ורבי עוצמה, במעבדות מחקר בגרמניה ובצרפת, בהשתתפות העמית ד”ר אייל קרופ, אליו התלווה הטכנאי הראשי של הקבוצה, פסח מאירי. ניתוח הקווים הספקטראליים נעשה על-ידי ד”ר סטמבולצ’יק וד”ר ולדימיר ברנשטם במעבדת הפלסמה.

במחקר אחר, שנעשה בפלסמות המיוצרות במעבדת הפלסמה באמצעות זרם חשמלי (Z-Pinch), הצליחו המדענים “להוציא” קרינה מליבת הפלסמה, תוך שימוש בקפיצה בו-זמנית של שני אלקטרונים ביוני הפלסמה. בדרך זו הצליחו להבחין בין טמפרטורת היונים לזו של האלקטרונים, ובין התנועה האקראית של החלקיקים (תנועה תרמית), לתנועה שאינה תרמית (מקרוסקופית), באמצעות שימוש בשתי שיטות: האחת מבוססת על תופעת דופלר, והשנייה על מודל המתאר שינויים בשדה החשמלי. התנועה התרמית, בניגוד לתנועה המאקרוסקופית, מייצרת שינויים בשדה החשמלי, משום שהחלקיקים נעים זה ביחס לזה. לכן, הפחתת הנתונים אלה מאלה מאפשרת לבודד את התנועה המאקרוסקופית. ניסוי זה, בו משתתפים ד”ר אייל קרופ, ותלמידי המחקר דרור אלומות וגיא רוזנצוויג, מתבצע במסגרת מרכז מצוינות אוניברסיטאי של משרד האנרגיה של ארה”ב, אשר כולל את אוניברסיטת קורנל, מכון ויצמן למדע וה-Imperial College בלונדון.

בימים אלה מנסים מדעני מעבדת הפלסמה לרתום שיטה המשמשת ליצירת פלסמה למטרה מפתיעה – מאיץ חלקיקים קומפקטי. הרעיון מבוסס על כך שכאשר ממקדים קרן לייזר על פלסמה בעלת תכונות מסוימות, נוצר שדה חשמלי חזק אשר נע כמעט במהירות האור, ו”סוחב” אתו את האלקטרונים. למעשה, זהו מאיץ חלקיקים. אולם בעוד המאיצים הקיימים כיום משתרעים על שטח של עשרות קילומטרים, גודלו של מכשיר כזה לא יעלה על עשרות מטרים.

מספר קבוצות מחקר בעולם מנסות לבצע זאת באמצעות פלסמה המיוצרת בתוך מערכת של צינוריות עדינות, אולם זו אינה ניתנת לשימוש חוזר ממושך. מעבדת הפלסמה במכון משתפת פעולה עם קבוצות מגרמניה במטרה לנסות ליישם שיטה שונה, באמצעות מערכת ה-Z-pinch, בה אין הגבלה על מספר הניסויים החוזרים שאפשר לבצע. בימים אלה, לאחר עבודה משותפת של תלמידי המחקר דימיטרי מיקיטצ’וק וכריסטין שטולברג, התקבלו הישגים ראשוניים בהכנת פלסמה אחידה באורכה ובעלת פרופיל צפיפות מיוחד. בהמשך, בשיתוף קבוצות בגרמניה ובצרפת, ינסו לייצר מאיץ חלקיקים ראשון מסוגו.

אישי

ד”ר יבגני סטמבולצ’יק זכה באחרונה בפרס על הישגים מדעיים מטעם הוועדה לחקר הפלסמה באגודה האמריקאית להנדסת חשמל ואלקטרוניקה (IEEE), המוענק לחוקרים צעירים על הישגים בתחילת דרכם המדעית. הפרס ניתן לו “על תרומתו יוצאת הדופן לתיאוריה ולמידול בתחום הרחבת קווי ספקטרום, אשר כוללת פיתוח שיטות כמותיות ויישומן לגישות ייחודיות בחקר הפלסמה”.

יבגני סטומבולצ’יק השלים לימודי תואר ראשון בפיסיקה באוניברסיטת נובוסיבירסק שברוסיה. בשנת 1991 עלה לארץ, הגיע לרחובות, והצטרף לקבוצתו של פרופ’ יצחק מרון, שם סיים תואר שני ושלישי.