Characterization of spurious-electron signals in the double-phase argon TPC of the DarkSide-50 experiment

إن البحث عن المادة المظلمة، وهي المادة غير المرئية التي تشكل معظم كتلة الكون، يعد أحد أكثر المساعي طموحاً في الفيزياء الحديثة. يعتقد العلماء أنهم إذا تمكنوا من الإمساك بجسيم واحد من المادة المظلمة يصطدم بذرة، فقد يتمكنون من فك أسرار الكون. وللقيام بذلك، يبني الباحثون كواشف ضخمة وفائقة الحساسية في أعماق الأرض، محمية من الأشعة الكونية والضوضاء الخلفية الأخرى. غالباً ما تكون هذه الكواشف مملوءة بغازات نبيلة سائلة، مثل الأرجون أو الزينون، تُحفظ في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي. عندما يصطدم جسيم بذرة في السائل، فإنه يُحدث ومضة ضوئية صغيرة ويؤدي إلى تحرير إلكترونات. يقوم الكاشف بالتقاط هذه الإشارات لإعادة بناء الحدث. ومع ذلك، فإن عملية البحث صعبة للغاية لأن الإشارات الناتجة عن المادة المظلمة من المتوقع أن تكون خافتة، وغالباً ما تتكون من بضعة إلكترونات فقط. ولإيجادها، يجب أن يكون العلماء قادرين على التمييز بين اصطدام حقيقي للمادة المظلمة وأي مصدر آخر للضوضاء قد يحاكيها. وإذا لم يستطع الكاشف التمييز بينهما، فإن الإشارة الخافتة تضيع في الضجيج.

في تجربة "DarkSide-50"، الواقعة في أعماق جبل في إيطاليا، قضى فريق من الفيزيائيين سنوات في دراسة نوع معين من الضوضاء كان يثير حيرتهم: "الإلكترونات الزائفة". وهي إلكترونات شاردة تظهر في الكاشف دون سبب واضح، مثل التحلل الإشعاعي أو تصادم المادة المظلمة. تظهر هذه الإلكترونات كإشارات صغيرة تشبه أخف الضربات الممكنة التي قد تحدثها جسيمات المادة المظلمة. لسنوات، كانت هذه الأحداث لغزاً، ووجودها أجبر العلماء على تجاهل أدنى مستويات الطاقة في بياناتهم، مما جعلهم في حالة عمى عن أخف جسيمات المادة المظلمة وأكثرها مراوغة. أراد الباحثون معرفة مصدر هذه الإلكترونات بالضبط وكيفية إيقافها. ومن خلال تحليل آلاف الساعات من البيانات من كاشف الأرجون السائل الخاص بهم، اكتشفوا أن هذه الإشارات غير المرغوب فيها لم تكن خللاً عشوائياً، بل كانت عمليات إطلاق متأخرة لإلكترونات حُبست بواسطة شوائب غير مرئية في السائل، وفي بعض الحالات، نتجت عن الأضواء الداخلية للكاشف نفسه.

أجريت التجربة في خزان أسطواني مملوء بـ 46 كيلوغراماً من الأرجون الموجود تحت الأرض، وهو شكل نادر من الغاز تم تجريده من نظير مشع طبيعي لجعله أكثر نقاءً للكاشف. يحيط بالخزان جدار من البلاستيك العاكس ومبطن بمستشعرات خاصة يمكنها اكتشاف أخفت ومضات الضوء. عندما يقع حدث ما، ينتج الأرجون السائل ومضة ضوئية فورية، تليها إشارة متأخرة ناتجة عن انجراف الإلكترونات للأعلى عبر السائل وصولاً إلى طبقة رقيقة من الغاز، حيث تنتج ومضة ثانية أكثر سطوعاً. ركز الفريق على أصغر الإشارات، تلك التي تتضمن أقل من أربعة إلكترونات، وهي الأصعب في الفصل عن الضوضاء الخلفية. وجدوا أن جزءاً كبيراً من هذه الأحداث، يتراوح بين 30 إلى 70 بالمائة اعتماداً على الوقت، لم يكن عشوائياً بل كان مرتبطاً بأحداث سابقة في الكاشف.

اكتشف الباحثون أن هذه الإلكترونات الزائفة غالباً ما يتم إطلاقها بتأخير بعد وقوع حدث أكبر. وقد لاحظوا نمطين رئيسيين للتأخير: إطلاق أسرع يحدث بعد حوالي 5 ميلي ثانية من الحدث الأولي، وإطلاق أبطأ يستغرق حوالي 40 إلى 80 ميلي ثانية. وفي بعض الحالات، عندما كان النظام المستخدم لتنقية غاز الأرجون يتوقف مؤقتاً لأعمال الصيانة، ظهر نوع ثالث من التأخير استمر حوالي 16 ميلي ثانية. كان هذا التوقيت حاسماً لأنه يشير إلى أن الإلكترونات لا تظهر من العدم، بل يتم التقاطها بواسطة الشوائب في السائل ثم إطلاقها لاحقاً. أظهرت الدراسة أن معدل هذه الأحداث كان مرتبطاً مباشرة بمدى نقاء السائل؛ فعندما كان نظام التنقية يعمل، انخفض معدل هذه الإلكترونات المتأخرة، وعندما كان يتم تجاوز النظام، ارتفع المعدل بشكل كبير، مما أكد أن الشوائب الكيميائية هي المسبب.

لفهم طبيعة هذه الشوائب، درس الفريق كيفية سلوك الإلكترونات. ووجدوا أن احتمالية احتجاز الإلكترون وإطلاقه لاحقاً تزداد إذا وقع الحدث الأصلي في عمق أكبر من السائل، مما يعني أن الإلكترون يجب أن يقطع مسافة أطول. أكد هذا أن الإلكترونات كانت تنجرف عبر السائل وتتعرض للاحتجاز بواسطة شيء ما في طريقها. لاحظ الباحثون أيضاً أن عدد الإلكترونات المنطلقة في حدث زائف واحد عادة ما يكون صغيراً، غالباً إلكترون أو اثنان فقط، ولكن أحياناً أكثر من ذلك. ووجدوا أن احتمال إطلاق إلكترونات متعددة في وقت واحد يتوافق مع آلية محددة: الضوء الناتج عن الحدث الأولي يصطدم بشبكة معدنية داخل الكاشف ويؤدي إلى تحرير إلكترونات ثانوية. هذه الشبكة، التي تساعد في توجيه الإلكترونات، كانت تعمل كمصدر غير مقصود للإلكترونات عند تعرضها لضوء الكاشف نفسه.

كما استبعدت الدراسة عدة احتمالات أخرى. تحقق الباحثون مما إذا كانت التأخيرات ناتجة عن النوع الأكثر شيوعاً من الشوائب، وهو الأكسجين، لكنهم وجدوا أن سلوك الإلكترونات الزائفة لم يتطابق مع ما هو متوقع من الأكسجين. كما بحثوا في النيتروجين، وهو ملوث محتمل آخر، لكن البيانات أشارت إلى أن مستوياته كانت منخفضة جداً بحيث لا تكون السبب الرئيسي. بدلاً من ذلك، أشارت الأدلة إلى مزيج من الشوائب المختلفة، بعضها قد يكون غازات متطايرة تنتقل بسهولة بين أطوار السائل والغاز، والبعض الآخر قد يكون جزيئات أكثر تعقيداً. ووجد الفريق أيضاً أن معدل هذه الأحداث ارتبط بدرجة حرارة المصيدة الباردة المستخدمة لإزالة الرادون، مما يشير إلى أن واحدة على الأقل من الشوائب يتم التقاطها بواسطة هذا المرشح البارد.

وربما الأهم من ذلك، وجد الباحثون أن الأحداث "غير المرتبطة" -تلك التي لا تبدو أنها تتبع حدثاً سابقاً- قد تكون في الواقع جزءاً من نفس العائلة. فقد لاحظوا عدداً صغيراً من الأحداث التي بدا أنها ذات تأخير أطول بكثير، حيث استمرت لأكثر من ثانية، وهو وقت طويل جداً بحيث يصعب تتبعه في بياناتهم. وهم يشتبهون في أن العديد من الأحداث التي اعتبروها عشوائية كانت في الواقع مجرد عمليات إطلاق متأخرة لشوائب لم يتم تحديدها بعد. تشير الدراسة إلى أنه إذا أمكن فهم مصدر هذه الإلكترونات والتحكم فيه بشكل أفضل، فستتمكن التجارب المستقبلية من خفض حد الكشف الخاص بها. وهذا سيسمح لهم برؤية إشارات أكثر خفوتاً، مما يفتح الباب للعثور على جسيمات المادة المظلمة الأخف وزناً والتي ظلت مخفية حتى الآن.

يوفر العمل الذي قام به تعاون "DarkSide-50" خارطة طريق واضحة لتحسين حساسية عمليات البحث عن المادة المظلمة في المستقبل. فمن خلال تحديد أن هذه الإشارات الزائفة ناتجة إلى حد كبير عن إلكترونات حُبست بواسطة الشوائب وأُطلقت بتأخير، انتقل الفريق بالمجال من مرحلة التخمين إلى المعرفة. لقد أثبتوا أن نقاء السائل أمر بالغ الأهمية، وأن تصميم الكاشف، بما في ذلك المواد المستخدمة في الشبكات الداخلية، يلعب دوراً حاسماً في تقليل الضوضاء الخلفية. وتشير النتائج إلى أنه مع وجود أنظمة تنقية أفضل واختيار دقيق للمواد، ستتمكن الأجيال القادمة من الكواشف من التحديق في أسرار الكون المظلمة بعمق أكبر من أي وقت مضى، محولةً ما كان يوماً ضجيجاً خلفياً مربكاً إلى جزء يمكن إدارته وفهمه من التجربة.