مستحلب نووي

لوحة المستحلب النووي هي نوع من كاشفات الجسيمات، استُخدمت لأول مرة في تجارب الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات في العقود الأولى من القرن العشرين. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} وهي شكل مُعدَّل من اللوحة الفوتوغرافية ، يُمكن استخدامها لتسجيل ودراسة الجسيمات المشحونة السريعة، مثل جسيمات ألفا ، والنيوكليونات ، واللبتونات، والميزونات . بعد تعريض المستحلب وتظهيره، يُمكن رصد مسارات الجسيمات المفردة وقياسها باستخدام المجهر.

لوحة المستحلب النووي هي شكل معدل من اللوحة الفوتوغرافية ، مطلية بمستحلب فوتوغرافي أكثر سمكًا من الجيلاتين يحتوي على تركيز أعلى من حبيبات هاليد الفضة الدقيقة جدًا ؛ يتم تحسين التركيب الدقيق للمستحلب من أجل الكشف عن الجسيمات.

يتميز هذا الجهاز بميزة أساسية تتمثل في الدقة المكانية العالية للغاية والوضوح، والتي لا يحدها سوى حجم حبيبات هاليد الفضة (أقل من ميكرون )؛ دقة ووضوح يتجاوزان حتى أفضل أجهزة الكشف عن الجسيمات الحديثة (لاحظ المقياس في الصورة أدناه، لتحلل ميزون K).

يمكن لمجموعة من صفائح المستحلب، التي تُشكل فعليًا كتلة من المستحلب، تسجيل وحفظ تفاعلات الجسيمات بحيث تُسجل مساراتها في الفضاء ثلاثي الأبعاد على شكل سلسلة من حبيبات هاليد الفضة، والتي يمكن رؤيتها من أي زاوية على المستوى المجهري. ^{[ 3 ]} إضافةً إلى ذلك، تُعد صفيحة المستحلب جهازًا مُدمجًا يمكن تعريضه للإشعاع حتى يتم تجميع الكمية المطلوبة من البيانات. وهي صغيرة الحجم، ولا تحتوي على كابلات قراءة أو إلكترونيات مُرتبطة بها، مما يسمح بتركيب الصفائح في أماكن ضيقة للغاية، وبالمقارنة مع تقنيات الكشف الأخرى، فهي أقل تكلفة بكثير من حيث التصنيع والتشغيل والصيانة. كانت هذه الميزات حاسمة في تمكين الدراسات التي أُجريت على ارتفاعات عالية، وفي الجبال، ومن خلال البالونات لدراسة الأشعة الكونية ، والتي أدت إلى اكتشاف ميزون باي ^{[ 4 ] [ 5 ]} واضمحلالات ميزون كي المشحونة التي تنتهك التكافؤ. ^{[ 6 ]} تسليط الضوء على الطبيعة الحقيقية ومدى " حديقة الحيوانات " دون النووية، مما يمثل علامة فارقة في تطور فيزياء الجسيمات التجريبية الحديثة . ^{[ 1 ]}

تتمثل العيوب الرئيسية للمستحلب النووي في كونه مادة كثيفة ومعقدة ( فضة ، بروم ، كربون ، نيتروجين ، أكسجين )، مما قد يعيق انتقال الجسيمات إلى مكونات الكاشف الأخرى من خلال التشتت المتعدد وفقدان طاقة التأين . وأخيرًا، كان تطوير ومسح كميات كبيرة من المستحلب، للحصول على بيانات رقمية ثلاثية الأبعاد مفيدة، عملية بطيئة ومستهلكة للوقت والجهد في الماضي. إلا أن التطورات الحديثة في أتمتة هذه العملية قد تتغلب على هذا العيب. ^{[ 7 ]}

أدت هذه العيوب، إلى جانب ظهور تقنيات جديدة لكاشفات الجسيمات ومسرعات الجسيمات ، إلى انخفاض استخدام ألواح المستحلب النووي في فيزياء الجسيمات مع نهاية القرن العشرين. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، لا يزال هناك استخدام مستمر لهذه الطريقة في دراسة العمليات النادرة وفي فروع أخرى من العلوم، مثل التصوير الإشعاعي الذاتي في الطب وعلم الأحياء.

للحصول على شرح شامل ومفصل تقنيًا للموضوع، يُرجى الرجوع إلى كتب باول، فاولر، وبيركنز ^{[ 2 ]} ، وكتاب باركاس ^{[ 3 ]} . وللاطلاع على مراجعة شاملة لتاريخ طريقة المستحلب النووي وسياقها العلمي الأوسع، يُرجى الرجوع إلى كتاب غاليسون ^{[ 8 ] .}

بعد اكتشاف هنري بيكريل للنشاط الإشعاعي عام 1896 [ 9 ] ^{باستخدام مستحلب التصوير} الفوتوغرافي ، كان إرنست رذرفورد ، الذي عمل أولًا في جامعة ماكجيل بكندا، ثم في جامعة مانشستر بإنجلترا، من أوائل الفيزيائيين الذين استخدموا هذه الطريقة لدراسة الإشعاع المنبعث من المواد المشعة بالتفصيل. ^{[ 10 ]} في عام 1905، استخدم ألواحًا فوتوغرافية متوفرة تجاريًا لمواصلة أبحاثه حول خصائص أشعة ألفا المكتشفة حديثًا والناتجة عن التحلل الإشعاعي لبعض نوى الذرات . ^{[ 10 ]} تضمن ذلك تحليل تعتيم الألواح الفوتوغرافية الناتج عن التشعيع بأشعة ألفا . وقد نتج هذا التعتيم عن تفاعل العديد من جسيمات ألفا المشحونة ، التي تُكوّن الأشعة، مع حبيبات هاليد الفضة في مستحلب التصوير الفوتوغرافي، والتي أصبحت مرئية من خلال عملية التحميض الفوتوغرافي . شجع روثرفورد زميله الباحث في مانشستر، كينوشيتا سويكيتي، ^{[ 11 ]} على التحقيق بمزيد من التفصيل في التأثير الفوتوغرافي لجسيمات ألفا .

كان من بين أهداف كينوشيتا "معرفة ما إذا كان جسيم ألفا واحدًا يُنتج حدثًا فوتوغرافيًا قابلًا للكشف". تمثلت طريقته في تعريض المستحلب لإشعاع من مصدر مشع مُقاس بدقة، حيث كان معدل انبعاث جسيمات ألفا معروفًا. استخدم هذه المعرفة، بالإضافة إلى قرب اللوحة من المصدر، لحساب عدد جسيمات ألفا المتوقع عبورها اللوحة. قارن هذا العدد بعدد حبيبات الهاليد المُظهَرة التي أحصاها في المستحلب، مع مراعاة " الإشعاع الخلفي " الذي يُنتج حبيبات "غير ألفا" إضافية أثناء التعريض. أكمل كينوشيتا هذا المشروع البحثي عام ١٩٠٩، ^{[ ١٢ ]} مُبينًا أنه من الممكن "عن طريق تحضير فيلم مستحلب من حبيبات هاليد الفضة الدقيقة جدًا ، وباستخدام مجهر ذي تكبير عالٍ، تطبيق الطريقة الفوتوغرافية لحساب جسيمات ألفا بدقة كبيرة". ^{[ 13 ]} كانت هذه المرة الأولى التي يتم فيها رصد الجسيمات المشحونة الفردية باستخدام مستحلب فوتوغرافي. ^{[ 1 ]} مع ذلك، كان ذلك رصدًا لاصطدامات الجسيمات الفردية، وليس رصدًا لمسار الجسيم الممتد. بعد ذلك بوقت قصير، في عام 1911، أظهر ماكس رينغانوم ^{[ 14 ]} أن مرور جسيم β بزاوية سقوط مائلة عبر مستحلب فوتوغرافي ينتج، عند تحميض المستحلب، صفًا من حبيبات هاليد الفضة يحدد مسار جسيم β؛ وهو أول رصد مسجل لمسار جسيم ممتد في مستحلب. ^{[ 15 ] [ 1 ]}

كان من الطبيعي أن تتمثل الخطوات التالية في تطبيق هذه التقنية على كشف ودراسة أنواع أخرى من الجسيمات، بما في ذلك الأشعة الكونية التي اكتشفها فيكتور هيس حديثًا عام 1912. إلا أن التقدم توقف مع اندلاع الحرب العالمية الأولى عام 1914. وقد عادت العديد من مختبرات الأبحاث الفيزيائية في عشرينيات القرن الماضي إلى معالجة المسألة العالقة المتمثلة في تحسين أداء كشف الجسيمات في المستحلبات الفوتوغرافية القياسية، وذلك لكشف أنواع أخرى من الجسيمات - فالبروتونات، على سبيل المثال، تُنتج حوالي ربع التأين الناتج عن جسيم β ^{[ 16 ] - [ 1 ]} .

وعلى وجه الخصوص، بدأت ماريتا بلاو ، التي كانت تعمل في معهد أبحاث الراديوم في فيينا بالنمسا ، في عام 1923 بالتحقيق في أنواع بديلة من ألواح المستحلب الفوتوغرافي للكشف عن البروتونات، والمعروفة باسم "أشعة الهيدروجين" في ذلك الوقت.

استخدمت مصدرًا مشعًا من جسيمات ألفا لتشعيع شمع البارافين ، الذي يحتوي على نسبة عالية من الهيدروجين. قد يصطدم جسيم ألفا بنواة هيدروجين (بروتون)، فيُخرج البروتون من الشمع إلى المستحلب الفوتوغرافي، حيث يُنتج مسارًا مرئيًا من حبيبات هاليد الفضة. بعد تجارب عديدة، باستخدام ألواح مختلفة وحماية دقيقة للمستحلب من الإشعاع غير المرغوب فيه، نجحت في إجراء أول رصد على الإطلاق لمسارات البروتونات في مستحلب نووي. ^{[ 17 ]}

بفضل مثالٍ بارعٍ على التفكير الإبداعي، طبّقت أسلوبًا مشابهًا لإجراء أول رصدٍ على الإطلاق لتأثير النيوترونات في المستحلب النووي. وبما أن النيوترون متعادل كهربائيًا، فلا يمكن رصده مباشرةً في المستحلب الفوتوغرافي، ولكن إذا اصطدم ببروتون في المستحلب، يُمكن رصد ارتداد البروتون. ^{[ 18 ]} استخدمت هذه الطريقة لتحديد طيف طاقة النيوترونات الناتجة عن عمليات تفاعل نووي محددة. طوّرت طريقةً لتحديد طاقات البروتونات عن طريق قياس كثافة الحبيبات المكشوفة على طول مساراتها (تتفاعل الجسيمات السريعة ذات الحد الأدنى من التأين مع عدد أقل من الحبيبات مقارنةً بالجسيمات البطيئة). ولتسجيل المسارات الطويلة للبروتونات السريعة بدقةٍ أكبر، استعانت بشركة إلفورد البريطانية لتصنيع الأفلام (التي تُعرف الآن باسم إلفورد فوتو ) لتكثيف المستحلب على ألواحها التجارية، وجرّبت معايير أخرى للمستحلب - حجم الحبيبات، واحتفاظ الصورة الكامنة، وظروف التحميض - لتحسين وضوح مسارات جسيمات ألفا والبروتونات السريعة. ^{[ 19 ]}

في عام ١٩٣٧، اكتشفت ماريتا بلاو وطالبتها السابقة هيرتا وامباخر نجوم التفكك النووي (Zertrümmerungsterne) نتيجةً للتفتت النووي في مستحلبات نووية تعرضت للإشعاع الكوني على ارتفاع ٢٣٠٠ متر في هافيلكارسبيتز فوق إنسبروك . ^{[ ٢٠ ]} أحدث هذا الاكتشاف ضجةً في عالم الفيزياء النووية وفيزياء الأشعة الكونية، ما لفت انتباه جمهور أوسع إلى طريقة المستحلبات النووية. إلا أن اندلاع الاضطرابات السياسية في النمسا وألمانيا، والتي أدت إلى الحرب العالمية الثانية ، أوقف فجأةً التقدم في هذا المجال البحثي بالنسبة لماريتا بلاو . ^{[ ٢١ ] [ ٢٢ ]}

في عام 1938، كان الفيزيائي الألماني والتر هايتلر ، الذي فرّ من ألمانيا كلاجئ علمي ليستقر ويعمل في إنجلترا، في جامعة بريستول يُجري أبحاثًا حول عدد من المواضيع النظرية، بما في ذلك تكوين وابلات الأشعة الكونية . وقد ذكر لسيسيل باول ، الذي كان يُفكّر آنذاك في استخدام غرف السحب للكشف عن الأشعة الكونية، ^{[ 23 ] [ 8 ]} أنه في عام 1937، قام الفيزيائيان النمساويان بلاو ووامباخر بتعريض مستحلبات فوتوغرافية في جبال الألب النمساوية، وشاهدا آثار بروتونات منخفضة الطاقة، بالإضافة إلى "نجوم" أو تفككات نووية ناتجة عن الأشعة الكونية.

أثار هذا الأمر اهتمام باول، الذي أقنع هيتلر بالسفر إلى سويسرا ومعه مجموعة من مستحلبات إلفورد ذات التظليل النصفي ^{[ 24 ]} ، وتعريضها للضوء على جبل يونغفراويوخ على ارتفاع 3500 متر. وفي رسالة إلى مجلة "نيتشر" في أغسطس 1939، تمكنا من تأكيد ملاحظات بلاو ووامباخر. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

على الرغم من أن الحرب أدت إلى توقف حاسم لأبحاث الأشعة الكونية في أوروبا بين عامي 1939 و1945، إلا أن ديبندرا موهان بوس وبيبا تشودري ، العاملين في معهد بوس في كلكتا ، أجريا في الهند سلسلة من التجارب على قمم الجبال العالية باستخدام مستحلبات التصوير الفوتوغرافي للكشف عن الأشعة الكونية وتحليلها. تميزت هذه القياسات باكتشافها الأول للميونات باستخدام الطريقة الفوتوغرافية: فقد كشف تحليل تشودري الدقيق لخصائص المسارات المرصودة، بما في ذلك كثافة حبيبات الهاليد المكشوفة مع مدى وارتباطات التشتت المتعدد، أن كتلة الجسيمات المكتشفة تبلغ حوالي 200 ضعف كتلة الإلكترون - وهو نفس "الميزوترون" (الذي أصبح لاحقًا "ميزون مو" والآن ميون ) الذي اكتشفه أندرسون ونيدرمير عام 1936 باستخدام غرفة السحاب . حالت المسافة والظروف دون تمكّن بوز وتشودهوري من الوصول بسهولة نسبية إلى مصنّعي الألواح الفوتوغرافية المتاحة لبلاو، ولاحقًا لهيتلر وباول وآخرين. ونتيجةً لذلك، اضطر بوز وتشودهوري إلى استخدام مستحلبات نصفية تجارية قياسية، بدلًا من المستحلبات النووية المصممة خصيصًا للكشف عن الجسيمات، مما يجعل جودة عملهما أكثر تميزًا. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

استكمالاً لتلك التطورات، وبعد الحرب العالمية الثانية ، تعاون باول وفريقه البحثي في ​​جامعة بريستول مع شركة إلفورد (التي تُعرف الآن باسم إلفورد فوتو ) لتحسين المستحلبات المستخدمة في الكشف عن جسيمات الأشعة الكونية. أنتجت إلفورد مستحلبًا مركزًا "للأبحاث النووية" يحتوي على ثمانية أضعاف الكمية المعتادة من بروميد الفضة لكل وحدة حجم (انظر الرابط الخارجي إلى "المستحلبات النووية من إلفورد"). قام فريق باول أولًا بمعايرة مستحلبات "الأبحاث النووية" الجديدة باستخدام مولد/مسرع كوكروفت-والتون التابع لجامعة كامبريدج ، والذي وفر جسيمات تفكك اصطناعية كمجسات لقياس علاقات المدى والطاقة المطلوبة للجسيمات المشحونة في المستحلب الجديد. ^{[ 33 ]}

ثم استخدموا هذه المستحلبات لتحقيق اثنين من أهم الاكتشافات في فيزياء القرن العشرين. أولاً، في عام 1947، اكتشف سيسيل باول ، وسيزار لاتيس ، وجوزيبي أوتشياليني، وهيو مويرهيد ( جامعة بريستول )، باستخدام ألواح معرضة للأشعة الكونية في مرصد بيك دو ميدي في جبال البرانس، والتي قامت بمسحها إيرين روبرتس وماريتا كورتز ، جسيم باي المشحون . ^{[ 4 ]}

ثانيًا، بعد ذلك بعامين، في عام 1949، ومن خلال تحليل الألواح المعروضة في مرصد سفينكس في يونغفراويوخ بسويسرا، أجرت روزماري براون (التي أصبحت لاحقًا روزماري فاولر ^{[ 34 ]} )، وهي طالبة باحثة في مجموعة سيسيل باول في بريستول، أولى الملاحظات الدقيقة للميزون K الموجب واضمحلالاته "الغريبة". ^{[ 6 ]} كان يُعرف آنذاك باسم "ميزون تاو" في لغز تاو-ثيتا ، وقد أدى القياس الدقيق لأنماط اضمحلال ميزون K هذه إلى تقديم المفهوم الكمي للغرابة واكتشاف انتهاك التكافؤ في التفاعل الضعيف . أطلقت روزماري براون على صورة المستحلب المذهلة ذات المسارات الأربعة، ^{[ 1 ]} لـ "تاو" واحد يتحلل إلى ثلاثة بيونات مشحونة، اسم "مسار K"، وبذلك أطلقت فعليًا اسم " الميزون K الغريب" المكتشف حديثًا . حصل سيسيل باول على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1950 "لتطويره الطريقة الفوتوغرافية لدراسة العمليات النووية واكتشافاته المتعلقة بالميزونات التي تم التوصل إليها بهذه الطريقة".

أدى ظهور تقنيات جديدة لكاشفات الجسيمات ومسرعات الجسيمات ، بالإضافة إلى العيوب المذكورة في المقدمة، إلى انخفاض استخدام ألواح المستحلب النووي في فيزياء الجسيمات مع نهاية القرن العشرين. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، استمر استخدام هذه الطريقة في دراسة التفاعلات النادرة وعمليات الاضمحلال. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

في الآونة الأخيرة، أدت عمليات البحث عن " فيزياء ما وراء النموذج القياسي "، ولا سيما دراسة النيوترينوات والمادة المظلمة في تفاعلاتها النادرة للغاية مع المادة العادية، إلى إحياء هذه التقنية، بما في ذلك أتمتة معالجة صور المستحلب. ^{[ 7 ]} ومن الأمثلة على ذلك تجربة OPERA ، ^{[ 40 ]} التي تدرس تذبذبات النيوترينو في مختبر غران ساسو في إيطاليا، وتجربة FASER في مصادم الهادرونات الكبير (LHC ) التابع لمركز سيرن ، والتي ستبحث عن جسيمات جديدة خفيفة وضعيفة التفاعل، بما في ذلك الفوتونات المظلمة . ^{[ 41 ]}

توجد العديد من المجالات العلمية والتقنية التي تُستخدم فيها قدرة المستحلب النووي على تسجيل موقع واتجاه وطاقة الجسيمات المشحونة كهربائيًا بدقة، أو على حساب تأثيرها. وتتضمن هذه التطبيقات في معظم الحالات تتبع العلامات المشعة المزروعة باستخدام التصوير الإشعاعي الذاتي . ومن الأمثلة على ذلك:

• البحوث الطبية
• البحوث البيولوجية
• علم المعادن
• كيمياء الأسطح التفاعلية
• الحماية من الإشعاع
• التصوير المقطعي بالميون ( التصوير الميوني ) ^{[ 42 ]}

• علم الآثار . ^{[ 43 ]}

• مستحلبات نووية من إنتاج شركة إلفورد