Design Studies Of A Pulsed Quasimonoenergetic 2-keV Neutron Source For Calibration Of Low Threshold Dark Matter Detectors

في أعماق الزوايا الهادئة للكون، يُعتقد أن جسيمات غير مرئية تُعرف بالمادة المظلمة تمر عبر كل شيء، بما في ذلك أجسادنا، في كل ثانية. لعقود من الزمن، بنى العلماء كواشف ضخمة للإمساك بهذه الجسيمات المراوغة، لكنهم كانوا يبحثون في الغالب عن جسيمات ثقيلة، تشبه في كتلتها الذرات. والآن، توجه موجة جديدة من التجارب اهتمامها إلى احتمال أن تكون المادة المظلمة خفيفة للغاية، حيث تزن أقل من جزء من المليار من مليار من الغرام. المشكلة تكمن في أنه إذا كانت هذه الجسيمات خفيفة جداً، فإنها ستصطدم بالذرات العادية بضربة لطيفة للغاية لدرجة أن الطاقة الناتجة ستكون ضئيلة، وأصغر بكثير مما يمكن للآلات الحالية رؤيته بوضوح. ولإثبات نجاح هذه التجارب، يحتاج العلماء لاختبارها بشيء يمكنهم التحكم فيه: مصدر طاقة يحاكي هذه الضربات الصغيرة، ولكن يكون قوياً بما يكفي ليتم قياسه.

صمم فريق من الباحثين آلة جديدة لإنتاج هذه الطاقة اللطيفة المحددة. هدفهم هو إنتاج تيار من النيوترونات — وهي جسيمات توجد في قلب الذرات — تصطدم بهدف بقوة مدروسة بدقة لتحدث ارتداداً، أو ركلة خلفية، تبلغ قيمتها بضعة آلاف من الإلكترون فولت فقط. هذا المستوى من الطاقة محدد للغاية، وهو أضعف بنحو ألفي مرة من طاقة التفاعل النووي التقليدي، ولكنه قوي بما يكفي ليُرى بواسطة أكثر الكواشف حساسية التي بُنيت حتى اليوم. لم يبنِ الفريق الآلة النهائية بعد؛ بل استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لتصميم نظام يمكنه تحويل مولد نيوترونات قياسي عالي الطاقة إلى شعاع دقيق ومنخفض الطاقة. وتظهر أعمالهم أنه من خلال إبطاء هذه الجسيمات وتصفيتها بعناية، من الممكن إنشاء شعاع نبضي نظيف من النيوترونات يمكنه معايرة الأدوات التي تبحث عن أخف أشكال المادة المظلمة.

تبدأ الرحلة بآلة مدمجة تطلق دفعات من النيوترونات عالية السرعة. تبدأ هذه النيوترونات بالتحرك بسرعة كبيرة، حاملة معها طاقة زائدة عن الحاجة للكواشف الدقيقة. ولإبطائها، صمم الباحثون سلسلة من الطبقات، مثل سلسلة من الجدران التي يجب أن تمر عبرها النيوترونات. الطبقة الأولى مصنوعة من الرصاص. وبينما يُعرف الرصاص عادةً بقدرته على إيقاف الإشعاع، إلا أنه يعمل هنا لغرض مختلف: فهو يعمل كمحول. عندما تصطدم النيوترونات السريعة بالرصاص، فإنها تسبب تفاعلاً يزيد من العدد الإجمالي للنيوترونات المتاحة مع خفض سرعتها.

بعد ذلك، تنتقل النيوترونات إلى خليط من الألومنيوم ومركب يسمى فلوريد الألومنيوم. هذه المادة مميزة لأن ذراتها مرتبة بطريقة جيدة جداً في إبطاء النيوترونات التي لا تزال تتحرك بسرعة متوسطة. قام الباحثون بخلط هذه المساحيق وضغطها في كتلة صلبة لضمان ارتداد النيوترونات داخلها، وفقدان الطاقة مع كل تصادم. عقب ذلك، تمر النيوترونات عبر طبقة من التيتانيوم. يعمل هذا المعدن كمكبح نهائي، حيث يلتقط النيوترونات التي لا تزال نشطة طاقياً ويبطئها حتى تصل إلى نطاق الهدف البالغ بضعة آلاف من الإلكترون فولت.

عند هذه النقطة، يحتوي الشعاع على نيوترونات بسرعات مختلفة، لكن العلماء يحتاجون فقط إلى تلك التي تتحرك بوتيرة محددة للغاية. ولعزلها، يستخدمون مرشحاً مصنوعاً من السكانديوم، وهو معدن يتمتع بخاصية فريدة عند هذا المستوى المحدد من الطاقة. عند مستوى ألفي إلكترون فولت بالضبط، يصبح السكانديوم شفافاً تقريباً للنيوترونات، مما يسمح لها بالمرور بسهولة. ومع ذلك، فإن النيوترونات التي تتحرك أسرع أو أبطأ قليلاً تصطدم بذرات السكانديوم وترتد بعيداً أو تُمتص. يعمل هذا مثل المنخل، حيث يسمح بمرور النيوترونات ذات الطاقة الدقيقة المطلوبة للتجربة فقط. والنتيجة هي شعاع يتكون بالكامل تقريباً من نيوترونات تمتلك الطاقة المطلوبة تماماً لاختبار كواشف المادة المظلمة.

كان لزاماً على التصميم أيضاً مراعاة "الضجيج" الذي يأتي مع مثل هذا المصدر القوي. فالآلة الأولية لا تنتج نيوترونات فحسب، بل تنتج أيضاً أشعة غاما، وهي جسيمات ضوئية عالية الطاقة يمكن أن تشتت الكواشف. ولحل هذه المشكلة، أحاط الفريق التجميعة بأكملها بجدران سميكة من الخرسانة والبلاستيك. وقد تم خلط بعض البلاستيك بالبورون، وهي مادة ممتازة في التقاط النيوترونات الشاردة قبل وصولها إلى المعدات الحساسة. كما أضافوا طبقات من الرصاص لحجب أشعة غاما. ومن خلال عمليات المحاكاة، وجدوا أنه من خلال ترتيب هذه المواد بعناية وحتى تغيير زاوية مسار الشعاع قليلاً، يمكنهم تقليل الضجيج الخلفي إلى مستوى يبرز فيه الإشارة الحقيقية بوضوح.

اختبر الباحثون تصميمهم من خلال محاكاة العملية بأكملها، وتتبع مليارات النيوترونات أثناء تحركها عبر الرصاص، وخليط الألومنيوم، والتيتانيوم، ومرشح السكانديوم. ووجدوا أن النظام يمكنه إنتاج شعاع بالنقاء المناسب، مما يعني أن الغالبية العظمى من النيوترونات التي تصل إلى الكاشف ستمتلك الطاقة الصحيحة. كما قاموا بمحاكاة كيفية استجابة الكواشف، مما أظهر أن النظام يمكنه بنجاح تحديد اتجاه وطاقة الضربات. وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه يسمح للعلماء بالتمييز بين مرشح حقيقي للمادة المظلمة وبين حدث عشوائي من الخلفية.

وبالنظر إلى المستقبل، يقترح الفريق أنه يمكن تكييف هذا الإعداد نفسه لإنتاج نيوترونات بطاقات أقل حتى، لتصل إلى بضعة إلكترونات فولت فقط. وبدلاً من الاعتماد على مرشح لاختيار سرعة معينة، يمكنهم استخدام الوقت الذي تستغرقه النيوترونات لقطع مسافة محددة لتحديد طاقتها. ولأن النيوترونات الأبطأ تستغرق وقتاً أطول للوصول، فإن قياس "زمن الطيران" سيسمح للعلماء بفرز النيوترونات حسب سرعتها بعد إنتاجها. وهذا سيفتح الباب أمام معايرة الكواشف للبحث عن نماذج المادة المظلمة الأكثر خفة.

إن العمل الموصوف هنا يعد خطوة حاسمة في التحضير للتجارب المستقبلية. ورغم أن الآلة نفسها لم تُبنَ بعد، إلا أن عمليات المحاكاة توفر خارطة طريق واضحة لكيفية بنائها. فمن خلال حل مشكلات كيفية إبطاء النيوترونات، وتصفيتها، وحماية الكواشف من الضجيج الخلفي، أثبت الباحثون أنه من الممكن إنشاء مصدر موثوق للارتدادات النووية منخفضة الطاقة. وستكون هذه القدرة ضرورية للجيل القادم من أبحاث المادة المظلمة، مما يضمن أنه عندما ترصد هذه الكواشف إشارة ما أخيراً، سيعرف العلماء بيقين أنها ليست مجرد حدث ناتج عن الضجيج الخلفي.