First results of the NEXT-100 detector using $^{83m}$Kr decays

في أعماق عالم الجسيمات دون الذرية، يوجد حدث نادر وغامض ظل الفيزيائيون يطاردونه لعقود: اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو. في القواعد القياسية للطبيعة، يمكن لبعض الذرات أن تتحول عن طريق انبعاث إلكترونين وجسيمين غير مرئيين يُسميان النيوترينوات. ومع ذلك، إذا وجد نوع معين من النيوترينوات — وهو نوع يكون فيه النيوترينو نفسه مضاداً لجسيمه، ويُعرف باسم جسيم مايورانا — فقد تحدث هذه العملية دون إطلاق تلك النيوترينوات على الإطلاق. إن العثور على هذا الاضمحلال من شأنه أن يعيد كتابة فهمنا للكون، ويثبت أن المادة والمادة المضادة مرتبطان ببعضهما البعض بشكل أعمق مما كنا نعتقد. ولرصد هذا الحدث العابر، يحتاج العلماء إلى كواشف ذات حساسية ودقة هائلتين، قادرة على تمييز إشارة واحدة نادرة من بحر من الضوضاء الخلفية. ولا يكمن التحدي في بناء حاوية كبيرة بما يكفي فحسب، بل في ضمان قياس كل جزء ضئيل من الطاقة المنبعثة في الداخل بوضوح تام.

يعمل فريق من الباحثين يُعرف باسم تعاون "NEXT" على مواجهة هذا التحدي باستخدام كاشف متخصص مملوء بغاز الزينون عالي الضغط. وقد بدأ أحدث جهودهم، تجربة "NEXT-100"، مرحلتها الأولى من التشغيل مؤخراً في أعماق الأرض في مختبر "Laboratorio Subterráneo de Canfranc" في إسبانيا. صُمم هذا المرفق ليكون كاميرا ثلاثية الأبعاد عملاقة يمكنها تتبع مسارات الإلكترونات بتفاصيل مذهلة. والهدف هو ملء الكاشف في النهاية بنسخة ثقيلة ومخصبة من الزينون والانتظار حتى يحدث الاضمحلال النادر. ولكن قبل أن يتمكنوا من بدء هذا البحث الطويل، يجب عليهم إثبات أن الآلة تعمل تماماً كما هو مخطط لها. وفي تقريرهم الرئيسي الأول، يصف الفريق كيف اختبروا رؤية الكاشف باستخدام مصدر طاقة اصطناعي آمن لرسم خريطة لأدائه وضمان استقراره بما يكفي لسنوات من جمع البيانات القادمة.

لاختبار الآلة، أدخل الباحثون كمية ضئيلة من غاز مشع يسمى "كريبتون-83m" في الغرفة المملوءة بالزينون. يعمل هذا الغاز كمصدر طاقة مثالي ومعروف، حيث يضمحل بطريقة تطلق دفعة دقيقة وصغيرة من الطاقة تعادل 41.5 كيلو إلكترون فولت. ولأن هذه الطاقة منخفضة ومتسقة للغاية، فإنها تعمل كمسطرة موثوقة يمكن من خلالها قياس الكاشف. ومع اضمحلال ذرات الكريبتون في جميع أنحاء حجم الكاشف، فإنها تخلق ومضات من الضوء تلتقطها مجموعتان مختلفتان من المستشعرات. إحدى مجموعات المستشعرات، الموجودة في أحد طرفي الأسطوانة، تقيس إجمالي كمية الضوء لتحديد طاقة الحدث. أما المجموعة الأخرى، وهي عبارة عن شبكة من مستشعرات الضوء الصغيرة على الجانب المقابل، فتلتقط شكل وموقع الضوء لإعادة بناء مكان وقوع الحدث بدقة في ثلاثة أبعاد. ومن خلال تحليل الملايين من هذه الأحداث، استطاع الفريق إنشاء خريطة تفصيلية لكيفية استجابة الكاشف للطاقة عند كل نقطة داخل الغرفة.

كانت نتائج عملية المعايرة الأولية هذه مشجعة للغاية. فقد وجد الباحثون أن استجابة الكاشف لم تكن منتظمة تماماً؛ إذ تباينت كمية الضوء التي يتم جمعها قليلاً اعتماداً على مكان وقوع الحدث، متأثرة بهندسة الغرفة وسلوك الإلكترونات أثناء انتقالها عبر الغاز. ومع ذلك، من خلال استخدام البيانات المستمدة من اضمحلالات الكريبتون لإنشاء خريطة تصحيحية، تمكنوا من تعديل القراءات وجعل رؤية الكاشف موحدة عبر الحجم بأكمله. وبعد تطبيق هذه التصحيحات، قاس الفريق قدرة الكاشف على التمييز بين مستويات الطاقة المختلفة، وهي جودة تُعرف باسم دقة الطاقة. وفي الحجم الكامل للكاشف، حققوا دقة بلغت 4.37 بالمائة. وعندما ركزوا على منطقة مركزية مستقرة في الكاشف تحاكي ظروف تشغيلهم المستقبلي عالي الضغط، تحسنت الدقة لتصل إلى 4.16 بالمائ% .

هذه الأرقام مهمة لأنها تشير إلى أن الكاشف يعمل بشكل أفضل من أهداف التصميم الخاصة به. وحسب الفريق، إذا نظروا إلى الطاقة الأعلى بكثير لاضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو، والتي تبلغ حوالي 2.458 ميجا إلكترون فولت، فإن أداء الكاشف سيتوسع ليصل إلى دقة طاقة تبلغ حوالي 0.5 بالمائ%. وهذا أقل بكثير من عتبة الواحد بالمائ% المطلوبة لفصل الإشارة النادرة عن الضوضاء الخلفية بفعالية. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن الكاشف مستقر بشكل ملحوظ بمرور الوقت. فعلى مدار ثلاثة أشهر، ظلت المستشعرات والغاز بداخلها متسقين، حيث تباين مخرجات الضوء بأقل من اثنين بالمائ% وظلت نقاء الغاز عالية بما يكفي للسماح للإلكترونات بالانتقال بحرية دون أن تُفقد.

يمثل نجاح هذه الدورة الأولى من كاشف "NEXT-100" خطوة حاسمة للأمام في البحث عن اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو. فمن خلال إثبات قدرة الآلة على رسم خريطة لمشهدها الداخلي بهذه الدقة والحفاظ على هذا الأداء بمرور الوقت، أكد التعاون صحة التكنولوجيا اللازمة للمرحلة التالية من التجربة. ويخطط الفريق لزيادة ضغط غاز الزينون إلى مستوى التشغيل الكامل في أوائل عام 2026، وعندها سيكون الكاشف جاهزاً لبدء بحثه طويل الأمد عن الاضمحلال النادر. وفي الوقت الحالي، تؤكد البيانات أن الأداة ليست مبنية فقط وفق المواصفات الصحيحة، بل تعمل أيضاً باستقرار ووضوح مطلوبين لاحتمال كشف واحد من أعمق أسرار الكون.