فناوری جدیدی ظهور کرده که با استفاده از آن می‌توان با انرژی بسیار کمتری٬ نسبت به فناوری‌های قبلی٬ پرتویی از پوزیترون‌های قطبیده را تولید کرد. این فناوری موجب خواهد شد تا چنان اشعه‌هایی بسیار گسترده‌تر مورد استفاده قرار گیرند.

نحوه‌ی اندرکنش الکترون با دیگر ذرات اغلب به اسپین آن وابسته است. این موضوع به شکل مشابهی در مورد پوزیترون (شریک ضدماده‌ی الکترون) نیز صدق می‌کند. پرتویی از پوزیترون‌های قطبیده (با اکثریت اسپین در یک جهت) ابزار اولیه‌ای برای مطالعه‌ی چنان اثراتی است. اکنون یک تیم پژوهشی نشان داده‌اند که چنان پرتویی را می‌توان از یک پرتوی الکترونی قطبیده که انرژی بسیار کمی نسبت به روش‌های پیشین دارد ایجاد کرد. این فناوری جدید جایگزین کم‌هزینه‌ای برای تولید پوزیترون‌های قطبیده به حساب می‌آید که می‌توان از آن برای سنجش مواد با روش‌های جدید استفاده کرد.

پوزیترون‌هایی با انرژی بسیار بالا (در حدود گیگا الکترون‌ولت) وقتی با الکترون‌های با انرژی بالا برخورد می‌کنند می‌توانند ذرات جدیدی ایجاد کنند و یا به عنوان ابزار مطالعه هسته‌ها عمل کنند. در انرژی‌های پایین (مگا الکترون‌ولت و پایین‌تر) پوزیترون‌ها قادرند نقص‌ها و دیگر ویژگی‌های مواد را با نفوذ در جامدات و نابودشدن با الکترون‌ها مشخصه‌یابی کنند تا اشعه‌های گامای قابل مشاهده ساطع کنند. یک پرتوی پوزیترونی قطبیده (با اسپین‌های جهت‌گیری کرده) می‌تواند اطلاعات بیشتری را بدون توجه به انرژیش فراهم کند. برای مثال از این پرتو می‌توان در سنجش حالت اسپینی الکترون‌ها در درون یک قطعه‌ی فرومغناطیس و یا در داخل یک قطعه‌ی اسپین‌ترونیک بهره برد؛ قطعه‌ای که از اسپین الکترون به جای بار الکترون بهره می‌برد.

در دو آزمایشی که اخیراً انجام یافته پرتوهای پوزیترونیِ قطبیده از نور قطبیده‌ی دایروی تولید شده‌اند [1,2]. هردوی این فناوری‌ها به الکترون‌های با انرژی بالا (گیگا الکترون‌ولت) نیازمندند تا پرتوهایی گامایی تولید کنند که الکترون‌ها و پوزیترون‌ها را ایجاد می‌کنند. اما چنان پرتوهایی تنها در شتاب‌دهنده‌های بزرگ وجود دارند. یک آزمایش جدید (موسوم به PEPPo که مخفف عبارت «الکترون‌های قطبیده برای پوزیترون‌های قطبیده» است) اکنون پوزیترون‌های قطبیده‌ را با استفاده از یک پرتوی الکترونیِ با انرژی کمتر (۸ مگا الکترون‌ولت) تولید کرده‌اند. به گفته‌ی اریک وتیر (Eric Voutier) از دانشگاه پاریس-جنوب در اورسیِ فرانسه که سخنگوی PEPPo است: «انرژی کمتر به معنای هزینه‌ی کمتر است که باعث می‌شود این فناوری برای افراد بیشتری قابل دسترس باشد».

آزمایش PEPPo که در آزمایشگاه جفرسون در ویرجینیا پایه‌گذاری شده است قادر است در انرژی‌های کمتر کار کند چون پرتوهای گامایی با سازوکارهای مختلف را ایجاد می‌کند. این محققان پرتویی از الکترون‌ها را (با قطبش اولیه‌ی حدود ۸۵ درصد) به سوی یک هدف تنگستنی به ضخامت یک میلی‌متر نشانه رفته‌اند. این الکترون‌ها با هسته‌ی تنگستن برخورد کرده و باعث می‌شود تابشی موسوم به تابش‌ترمزی (bremsstrahlung) از آن ساطع شود که به شکل اشعه‌های گامای قطبیده‌ی دایروی با انرژی مگا الکترون‌ولت هستند.

وقتی پرتوی گاما از هسته‌های تنگستن پراکنده می‌شود برخی از آن‌ها جفت‌های الکترون-پوزیترون تولید می‌کنند. اشعه‌های گامای قطبیده به الکترون‌ها و پوزیترون‌هایی منجر می‌شوند که آن‌ها نیز بایستی به طور متوسط در جهت یکسانی با پرتوی الکترونیِ اولیه قطبیده شوند. پژوهش‌گران برای اثبات این ادعا الکترون‌ها و پوزیترون‌ها را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی جداسازی کرده و قطبش پوزیترون‌ها را اندازه‌ گرفته‌اند. برای بالاترین انرژی پوزیترون‌های آشکارسازی شده (۶ مگاالکترون‌ولت)٬ این قطبش به بزرگی ۸۲ درصد بوده و نشانگر آن است که تقریبا ۱۰۰ درصد قطبش اولیه منتقل شده است. در پایین‌ترین انرژی ثبت‌شده (۴ مگا الکترون‌ولت)٬ قطبش پوزیترونی به ۴۰ درصد کاهش یافته است.

این نتایج زیاد شگفت‌آور نیست. نظریه‌پردازان در طول ۵۰ سال گذشته پیش‌بینی کرده‌اند که چنان قطبشی بایستی از الکترون‌ها به فوتون‌ها و از فوتون‌ها به پوزیترون‌ها در طول تابش ترمزی و اندرکنش‌های تولید جفت الکترون-پوزیترون منتقل شود. با این حال آزمایشِ این پیش‌بینی به پرتوهای الکترونی با قطبش و شدت زیاد نیازمند است که اخیراً تنها در جاهایی همچون آزمایشگاه جفرسون و ماینز مایکروترون در آلمان وجود داشته است. به گفته‌ی جو گرامیز (Joe Grames) از آزمایشگاه جفرسون: «PEPPo بر روی شانه‌های پیشرفتی قرار گرفته که در تولید منابع الکترون‌های قطبیده در طول چند دهه‌ی گذشته اتفاق افتاده است».

به بیان وتیر این آزمایش اثبات یک اصل بوده است. به گفته‌ی وی: «ما اکنون می‌دانیم که انتقال قطبش کارآمد است». اما برای استفاده در اهداف بسیاری این نیاز وجود دارد تا پرتوی پوزیترونی بسیار شدیدتر از آن‌چیزی باشد که PEPPo تاکنون تولید کرده است.

به گفته‌ی گرایمز شدت پرتوی پوزیترونی می‌تواند با انرژی زیادتر یا شدت بالاتر در پرتوی الکترونی ورودی افزایش یابد. انتخاب دیگر به مجموعه سیستمی اختصاص داده می‌شود که از میدان‌های مغناطیسی برای جمع‌آوری افزایشی و متمرکز ساختن پوزیترون‌ها استفاده می‌کند.

کرک مک‌دونالد (Kirk McDonald) از دانشگاه پرینستون می‌گوید که انرژی پایینی که در روش PEPPo استفاده شده موجب می‌شود این روش بسیار آسان‌تر و در گستره‌ی وسیعی از کاربردها نسبت به روش‌های قطبش پیشین استفاده شود. آتسو کاواسیسو (Atsuo Kawasuso) از موسسه‌ی ملی کوانتوم و علوم رادیولوژی و فناوری در گونمای ژاپن تحت تاثیر قطبش بدست آمده قرار گرفته و می‌گوید: وقتی شدت افزایش یابد «آزمایش‌های زیادی ممکن خواهد بود».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

مایکل شربر (Michael Schirber) از ویراستاران مجله‌ی فیزیک در لیون فرانسه است.

مرجع‌ها:

1. T. Omori et al., “Efficient Propagation of Polarization from Laser Photons to Positrons through Compton Scattering and Electron-Positron Pair Creation,” Phys. Rev. Lett. 96, 114801 (2006).
2. G. Alexander et al., “Observation of Polarized Positrons from an Undulator-Based Source,” Phys. Rev. Lett.100, 210801 (2008).

منبع:

Low Cost Polarized Positrons