Development of large-volume $^{130}$TeO$_2$ bolometers for the CROSS $2β$ decay search experiment

تخيل أن الكون عبارة عن مكتبة ضخمة وصامتة، حيث الكتب مكتوبة بشفرة نكاد لا نستطيع قراءتها. لعقود من الزمن، حاول الفيزيائيون فك رموز جملة محددة ونادرة للغاية في كتاب الطبيعة: "تحلل بيتا المزدوج". فكر في هذا الأمر كخدعة سحرية حيث يتغير ذرة بشكل تلقائي، وتطلق إلكترونين. عادةً ما تأتي هذه الخدعة مع زوج من الأشباح غير المرئية تسمى النيوترينوهات. لكن الجائزة الكبرى الحقيقية هي العثور على نسخة من هذه الخدعة لا يتم فيها إطلاق أي أشباح على الإطلاق. إذا أمسكنا بهذه اللحظة "الخالية من الأشباح"، فإن ذلك سيعيد كتابة قواعد الفيزياء، ويخبرنا لماذا يتكون الكون من المادة بدلاً من المادة المضادة، ويكشف عن الوزن السري للنيوترينو نفسه.

لإمساك هذا الحدث العابر، يحتاج العلماء إلى كواشف تكون هادئة كهمسة ونقية كالألماس. إنهم يستخدمون بلورات خاصة تعمل مثل موازين حرارة فائقة الحساسية. عندما تصطدم جسيمة بالبلورة، فإنها تخلق ومضة صغيرة من الحرارة، ويقيس الكاشف هذا التغير في درجة الحرارة. التحدي؟ الكون صاخب. الإشعاع الخلفي من الصخور، والهواء، وحتى المواد المكونة للكاشف نفسه يمكن أن يغرق الإشارة الخافتة لتحلل بيتا المزدوج. الأمر يشبه محاولة سماع صوت سقوط دبوس في حفلة روك صاخبة؛ فأنت بحاجة لبناء غرفة عازلة للصوت مثالية لدرجة أن حتى ذرات الغبار فيها تكون صامتة. هذا هو المسرح الذي يتدخل فيه تجربة "CROSS"، لبناء حصن من البلورات النقية للاستماع إلى أهدأ أسرار الكون.

مهمة البحث عن البلورة: بناء "الغرفة الصامتة" المثالية

في هذه الورقة البحثية، يعلن فريق من العلماء من جميع أنحاء العالم (بمن في ذلك باحثون من فرنسا وإيطاليا وأوكرانيا والولايات المتحدة وإسبانيا) عن خطوة كبيرة للأمام في بناء هذه الكواشف فائقة النقاء. هدفهم؟ تنمية بلورات ضخمة ومثالية مصنوعة من مادة تسمى ثاني أكسيد التيلوريوم ($TeO_2$) والمخصبة بنسخة محددة من عنصر التيلوريوم تسمى $^{130}Te$. فكر في $^{130}Te$ كـ "التذكرة الذهبية" التي يمكنها أداء خدعة تحلل بيتا المزدوج.

التنقية: عصر الأوساخ للخارج
بدأت الرحلة بكيس من مسحوق التيلوريوم الذي كان يحتوي بالفعل على 93% من "التذكرة الذهبية" ($^{130}Te$). ومع ذلك، حتى المسحوق عالي الجودة يحتوي على شوائب—قطع صغيرة من الحديد والزنك وعناصر أخرى تعمل مثل الضجيج في الإشارة. ولإصلاح ذلك، استخدم الفريق حيلة ذكية تسمى "التصلب الاتجاهي".

تخيل إذابة قطعة من الشوكولاتة وتركها تبرد ببطء شديد من طرف إلى آخر. بينما تتجمد، تتصلب الشوكولاتة النقية أولاً، مما يدفع كل المكسرات والزبيب المقرمش (الشوائب) نحو الطرف الذي يتجمد آخراً. فعل العلماء ذلك بالتيلوريوم الخاص بهم. قاموا بإذابة السبيكة وتركها تتجمد اتجاهياً، مما أدى فعلياً إلى دفع "الأوساخ" إلى أحد الأطراف. ثم قطعوا الطرف المتسخ واحتفظوا بالقسم الأوسط النقي. كانت هذه العملية فعالة للغاية لدرجة أنها قللت إجمالي الشوائب بمعامل قدره 10، مما ترك لديهم مسحوقاً نظيفاً للغاية—يحتوي فقط على بضعة أجزاء في المليون من العناصر غير المرغوب فيها.

تنمية العمالقة
باستخدام مسحوقهم فائق النقاء، نمّى الفريق ست بلورات ضخمة. لم تكن هذه مجرد كرات صغيرة؛ بل كانت مكعبات مثالية، يبلغ قياس كل منها 45 × 45 × 45 ملم وتزن حوالي 0.55 كجم (ما يعادل وزن كيس كبير من السكر تقريباً). هذا حجم هائل لبلورة واحدة! لقد استخدموا تقنية تسمى طريقة "تشوخرالسكي" (Czochralski method)، وهي تشبه سحب بلورة ضخمة من المصهور باستخدام بذرة صغيرة جداً. والأهم من ذلك، نظرًا لأن البذرة كانت صغيرة جداً، فإنها لم تضعف تركيز "التذكرة الذهبية". لا تزال البلورات النهائية تحتوي على حوالي 91% من الـ $^{130}Te$ المطلوب، وهي نتيجة رائعة.

تجربة القيادة: من السطح إلى تحت الأرض
قبل الوثوق بهذه البلورات الضخمة في التجربة الأكثر حساسية، قام الفريق بـ "تجربة قيادة" باستخدام بلورات أصغر وطبيعية (غير مخصبة) تم نموها من نفس العملية. وضعوا هذه البلورات في مختبر على مستوى سطح الأرض (حيث الضجيج الخلفي مرتفع) لمعرفة ما إذا كانت تعمل. كانت النتائج ممتازة: عملت البلورات كموازين حرارة مثالية، حيث قامت بقياس الطاقة بدقة عالية. كما تحققوا من وجود ملوث شائع يسمى $^{210}Po$ (نظير مشع للبولونيوم). كانت مستويات "الضجيج" من هذا النوع في البلورات الطبيعية منخفضة، مما يثبت أن نمو البلورات كان يقوم بعمل جيد.

بعد ذلك، أخذوا البلورات الأربع الضخمة والمخصبة إلى تحت الأرض، وتحديداً إلى مختبر "كانفرانك" (Canfranc) تحت الأرض في إسبانيا. التواجد تحت الأرض يشبه نقل تجربتك من حفلة روك صاخبة إلى خزنة عازلة للصوت؛ فالأرض تحجب معظم الأشعة الكونية والإشعاع الخلفي. هنا، اختبروا البلورات في ثلاجة فائقة البرودة (ثلاجة التخفيف) مبردة إلى درجة 12 ميلي كلفن (وهي درجة حرارة أعلى بقليل جداً من الصفر المطلق!).

تجربة "الجلد"
لجعل الكواشف أكثر ذكاءً، جرب الفريق حيلة جديدة: طلاء بعض البلورات بأغشية معدنية رقيقة. طلاء بعضها بطبقة من الألمنيوم على أربعة جوانب، والبعض الآخر بشبكة من الألمنيوم والبالاديوم على جانب واحد فقط. لماذا؟ لتعمل مثل "جلد" يمكنه التمييز بين جسيم يصطدم بالسطح وجسيم يصطدم بالداخل. الأمر يشبه ارتداء سترة يمكنها إخبارك ما إذا كانت قطرة مطر قد أصابت القماش أم أنك كنت داخل المنزل بالفعل. ومن خلال تحليل شكل إشارة الحرارة (تمييز شكل النبضة)، أملوا في استبعاد ضجيج السطح.

الحكم النهائي: نجاح واضح كوضوح البلورات
كانت النتائج مثيرة. لقد قدمت بلورات $^{130}TeO_2$ الضخمة أداءً رائعاً. كانت حساسة للغاية، والأهم من ذلك، كانت نقية للغاية.

• مستوى الضجيج: تم قياس كمية النظير المشع "السيئ" $^{210}Po$ داخل البلورات بنحو 1 mBq/kg (ميلي بيكريل لكل كيلوغرام). وهذا أقل حتى من البلورات الطبيعية الأصغر التي اختبروها سابقاً، مما يثبت أن خطوات التنقية الإضافية قد نجحت تماماً.
• الأشباح: بحثوا عن عناصر مشعة خطيرة أخرى مثل $^{228}Th$ و $^{226}Ra$ ولكنهم لم يجدوا شيئاً. كانت مستوياتها منخفضة جداً لدرجة أنها كانت تحت حد الكشف، مما يعني أنها أقل بـ 100 مرة على الأقل من مستويات $^{210}Po$.
• الطلاء المعدني: عملت البلورات المطلية بالمعدن بنفس كفاءة البلورات العارية، مما أظهر أن إضافة "الجلد" لم تفسد أداءها. في الواقع، أظهرت البلورات المطلية بالمعدن انخفاضاً طفيفًا جدًا في الحساسية، وهو ما يعد فوزاً كبيراً.

ماذا يعني هذا؟
تخلص الورقة البحثية إلى أن هذه البلورات ذات الحجم الكبير جاهزة للمنافسة في المستويات العليا. فهي نقية بما يكفي وحساسة بما يكفي لاستخدامها في تجربة "CROSS"، التي تهدف إلى مطاردة ذلك التحلل المزدوج الخالي من الأشباح. لقد أثبت الفريق بنجاح قدرتهم على تنمية هذه البلورات الضخمة والمخصبة دون فقدان نقائها أو تركيز "تذكرتها الذهبية". وبينما لا يزال البحث عن حدث التحلل الفعلي في بدايته، فإن هذه الورقة تؤكد أن الكواشف المصممة للإمساك به أصبحت الآن من الطراز الرفيع، هادئة، وجاهزة للاستماع إلى أعمق أسرار الكون.