Development and Initial Performance of an Upgraded NaI(Tl) Crystal Encapsulation for COSINE-100U

تخيل أن الكون عبارة عن محيط شاسع ومظلم، وأن معظم مياهه مكونة من شيء لا يمكننا رؤيته أو لمسه أو شمه. يطلق العلماء على هذه المادة غير المرئية اسم "المادة المظلمة". نحن نعلم أنها موجودة لأنها تجذب النجوم والمجرات مثل جاذبية خفية، لكن لم يتمكن أحد من الإمساك بجسيم واحد منها على الإطلاق. الأمر يشبه محاولة العثور على شبح معين في منزل مسكون بمجرد الاستماع إلى أصوات الخطوات. لقد ادعى تجربة شهيرة، تسمى DAMA/LIBRA، أنها سمعت تلك الخطوات: فقد رصدوا إشارة تتذبذب صعودًا وهبوطًا كل عام، تمامًا مثل حركة الأرض عبر سحابة من المادة المظلمة. لكن علماء آخرين كانوا متشككين؛ أرادوا سماع نفس الصوت باستخدام "آذان" من نفس النوع للتأكد من أنه ليس مجرد صوت صرير لوح خشبي أو تيار هوائي من نافذة مفتوحة.

ولفض هذا النزاع، بنى فريق عمل مجموعة جديدة من "الآذان" باستخدام بلورات خاصة تتوهج عندما تصطدم بها الجسيمات. هذه البلورات، المصنوعة من يوديد الصوديوم، تشبه مصابيح يدوية صغيرة وحساسة للغاية، تومض كلما اصطدم بها جسيم من المادة المظلمة (أو جسيم خلفي عادي). التحدي يكمن في أن هذه البلورات متطلبة للغاية؛ فهي تحتاج إلى أن تبقى جافة، ويجب التقاط الضوء الذي تنتجه بدقة تامة ليتم عدّه. إذا ضاع الضوء أو إذا اتسخت البلورة، فإن الإشارة ستغرق في الضجيج. يروي هذا البحث قصة كيف أخذ فريق عمل مجموعة قديمة من هذه "الآذان البلورية"، وأجرى لها عملية تجميل كبرى، ووضعها في منزل جديد تمامًا تحت الأرض، أكثر هدوءًا، ليرى ما إذا كان بإمكانهم سماع همسات المادة المظلمة بشكل أفضل.

عملية تجميل البلورات: من النوافذ الضبابية إلى الوضوح البلوري

قرر العلماء وراء تجربة COSINE-100 ترقية كاشفهم، حيث أنشأوا نسخة جديدة تسمى COSINE-100U. فكر في إعدادهم القديم ككاميرا أمامها نافذة زجاجية سميكة وضبابية أمام العدسة. في كل مرة يحاول فيها وميض من الضوء (فوتون) الانتقال من البلورة إلى المستشعر، كان عليه المرور عبر هذه النافذة، مما يفقده بعض السطوع في الطريق. في التصميم القديم، كانت هذه "النوافذ" في الواقع كتلًا سميكة من الكوارتز توضع بين البلورة ومستشعرات الضوء.

من أجل الترقية، قرر الفريق تحطيم النوافذ الضبابية. قاموا بإزالة الكوارتز تمامًا ولصق مستشعرات الضوء مباشرة بالبلورة باستخدام وسادة سيليكون شفية ورقيقة. الأمر يشبه أخذ كاميرا ولصق العدسة مباشرة بالفيلم، متجاوزين الزجاج تمامًا. وللتأكد من عدم هروب أي ضوء من الجوانب، قاموا أيضًا ببرد حواف البلورات بزاوية 45 درجة، لتعمل مثل مرآة تعكس الضوء الشارد عائدًا نحو المستشعرات. كما غلفوا الشيء بأكمله بمادة لامعة وبيضاء (PTFE) تعمل كمرآة مثالية، وأحكموا إغلاقه داخل صندوق نحاسي لمنع أي سائل قد يتلف البلورة.

النتائج: ومضات أقوى وغرف أكثر هدوءًا

بعد بناء هذا النظام الجديد، اختبر الفريق الجهاز في مختبر يعمل بدرجة حرارة الغرفة في منشأة Yemilab في كوريا. قاموا بتشغيل الكاشف لمدة 2462 ساعة (حوالي 102.6 يومًا) وقارنوا النتائج بآخر 698 ساعة (29.1 يومًا) من بيانات الكاشف القديم.

كانت النتائج نجاحًا باهرًا. جعل التصميم الجديد البلورات أكثر سطوعًا بكثير. في الإعداد القديم، كانت البلورات تنتج في المتوسط حوالي 15 إلكترون ضوئيًا (ومضات ضوئية صغيرة) لكل كيلو إلكترون فولت (keV) من الطاقة. أما في الإعداد الجديد، فقد قفز هذا الرقم. البلورات الآن تنتج ما بين 15.8 و 27.7 إلكترون ضوئي/keV. حتى أن ست بلورات من أصل ثمانية تجاوزت حاجز الـ 20 إلكترون ضوئي/keV. إحدى البلورات، على وجه الخصوص، انتقلت من كونها خافتة بـ 15.5 إلى بريق مبهر بلغ 27.7.

والأفضل من ذلك، أن الترقية أنقذت بلورتين كانتا في السابق خافتتين جدًا بحيث لا يمكن استخدامهما. في التجربة القديمة، كانت البلورتان 5 و 8 ضبابيتين للغاية لدرجة أنه تم تجاهلهما. بعد عملية التجميل، انتقلت البلورة 5 من قوة 7.3 ضعيفة إلى 17.8 قوية، وانتقلت البلورة 8 من 3.5 شديدة الخفوت إلى 15.8 قابلة للاستخدام. لقد أُعيدتا من الموت!

تنظيف الضجيج

جعل البلورات أكثر سطوعًا هو نصف المعركة فقط؛ عليك أيضًا أن تجعل الغرفة أكثر هدوءًا. يمكن للبلورات أن تتأثر بـ "ضجيج الخلفية"، الذي يأتي من كميات ضئيلة من النشاط الإشعاعي الطبيعي داخل البلورة أو على سطحها. قاس الفريق نوعين من هذا الضجيج:

1. ألفا الكتلة (Bulk Alpha): الضجيج القادم من أعماق البلورة.
2. ألفا السطح (Surface Alpha): الضجيء القادم من الجلد الخارجي للبلورة.

أظهرت القياسات أن ضجيج "الكتلة" (الأشياء العميقة) انخفض قليلاً، وهو بالضبط ما يتوقع حدوثه مع تلاشي المواد المشعة الطبيعية داخل البلورة ببطء بمرور الوقت. ومع ذلك، انخفض ضجيج "السطح" بشكل دراماتيكي. نظرًا لأن الفريق كان دقيقًا للغاية عند تنظيف وصقل البلورات قبل إغلاقها، فقد تم تقليل ضجيج السطح بمقدار هائل. بالنسبة لبعض البلورات، انخفض ضجيج السطح بمقدار عشرة أضعاف تقريبًا.

الصورة النهائية

عندما نظر الفريق إلى أطياف الطاقة (المخطط الذي يوضح عدد الأحداث عند مستويات طاقة مختلفة)، أظهر الكاشف الجديد عددًا أقل من "الإنذارات الكاذبة" عند الطاقات المنخفضة. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن إشارات المادة المظلمة يُتوقع أن تكون خافتة ومنخفضة الطاقة للغاية. من خلال جعل البلورات أكثر سطوعًا والضجيج الخلفي أقل، أصبح كاشف COSINE-100U الآن أكثر حساسية بكثير.

يخلص البحث إلى أن هذا التصميم الجديد يعمل تمامًا كما هو مخطط له. البلورات أكثر سطوعًا، والضجيج أقل، والكاشف جاهز لمرحلته التالية: العمل عند درجة حرارة باردة تبلغ -30 درجة مئوية. يعتقد العلماء أن تبريد البلورات سيجعلها أفضل في رصد الهمسات الخافتة للمادة المظلمة. وبينما لا يدعي هذا البحث العثور على المادة المظلمة بعد، فقد نجح في بناء زوج من الآذان الأكثر حدة للاستماع إليها.