Testbeam characterization of a 3D silicon sensor read out by Timepix4

في قلب أقوى مسرع جسيمات في العالم، مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم البروتونات مع بعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء. تخلق هذه الاصطدامات عاصفة فوضوية من الجسيمات الجديدة، ولكن لفهم القوانين الأساسية للطبيعة، يجب على العلماء تتبع مسارات هذه الشظايا العابرة بدقة متناهية. ومع استعداد المسرع لمرحلة تشغيل أكثر كثافة، تواجه الكواشف المستخدمة لالتقاط هذه الجسيمات تحديًا هائلاً: إذ يتعين عليها التمييز بين الاصطدامات التي تحدث في اللحظة ذاتها، والتي تفصل بينها أجزاء من مليار من الثانية فقط. وللقيام بذلك، يطور العلماء أنواعًا جديدة من المستشعرات التي تعمل مثل الكاميرات عالية السرعة، القادرة على تسجيل ليس فقط أين مر الجسيم، بل ومتى وصل بالضبط. ويكمن مفتاح هذا المستقبل في تقنية تسمى مستشعرات السيليكون ثلاثية الأبعاد، حيث تُحفر أعمدة دقيقة مباشرة في شريحة السيليكون لجمع الإشارات الكهربائية. ومن خلال تقصير المسافة التي يجب أن تقطعها هذه الإشارات، يمكن للمستشعرات أن تستجيب بشكل أسرع بكثير من الشرائح المسطحة التقليدية، مما يوفر لمحة عن رؤية رباعية الأبعاد للعالم دون الذري.

قام فريق من الباحثين مؤخرًا باختبار أحد هذه المستشعرات المتقدمة، عبر توصيله بشريحة قراءة متطورة تُعرف باسم "Timepix4" وإطلاق حزمة من الجسيمات عالية الطاقة تجاهه. كان الهدف هو معرفة مدى جودة قدرة هذا المزيج المحدد على قياس زمن وموقع الجسيمات المارة تحت ظروف مختلفة. المستشعر نفسه عبارة عن شريحة رقيقة من السيليكون، بسمك 300 ميكرومتر، مليئة بشبكة من الأعمدة المجهرية التي تعمل كأقطاب كهربائية. عندما ينطلق جسيم مشحون عبر السيليكون، فإنه يحرر إلكترونات، والتي يتم بعد ذلك سحبها بواسطة هذه الأعمدة. تسجل شريحة "Timepix4" وقت وصول هذه الإشارات بدقة مذهلة، تصل إلى جزء من النانو ثانية. ومع ذلك، أدرك الباحثون أن البيانات الخام ستكون فوضوية؛ إذ يعتمد الوقت الذي يستغرقه تسجيل الإشارة على مقدار الشحنة التي ولدها الجسيم، كما يمكن للساعات الداخلية للشريحة أن تنحرف قليلاً من قسم إلى آخر. وللحصول على صورة حقيقية لأداء المستشعر، تعين على الفريق إجراء تصحيح دقيق لهذه الاختلافات، وهو ما يعني أساسًا معايرة الساعة وقوة الإشارة لكل بكسل منفرد على الشريقة.

كشفت النتائج عن جهاز سريع ودقيق للغاية، ولكن مع بعض الخصائص التي تعتمد على كيفية اصطدام الجسيم به. فعندما اصطدمت الجسيمات بالمستشعر بشكل مباشر، قاس الفريق دقة زمنية بلغت 245 بيكوثانية، مما يعني قدرتهم على التمييز بين الأحداث التي تفصل بينها مجرد جزء ضئيل من مليار من الثانية. كما أثبت المستشعر كفاءة عالية، حيث رصد 97 في المائة من الجسيمات التي أصابته. ومع ذلك، اكتشف الباحثون أن أداء المستشعر ليس موحدًا عبر سطحه؛ فالأجزاء الواقعة مباشرة فوق الأعمدة الدقيقة، حيث يكون المجال الكهربائي أضعف، أنتجت إشارات أبطأ وأقل دقة. وفي المقابل، سمحت المساحات الموجودة بين الأعمدة بجمع الإشارات بشكل أسرع بكثير، محققة دقة زمنية تصل إلى 153 بيكوثانية لأكثر الضربات طاقة. وقد سلط هذا الاختلاف الضوء على أن البنية الداخلية للمستشعر، وليس شريحة القراءة، كانت العامل الرئيسي الذي حد من السرعة الإجمالية.

وللتغلب على قيود الأعمدة وتحسين الأداء العام، قام الفريق بتدوير المستشفر قليلاً بالنسبة للحزمة. ووجدوا أن إمالة المستشعر بزاوية 8 درجات هي النقطة المثالية. عند هذه الزاوية، سافرت الجسيمات عبر مساحة أكبر من السيليكون النشط بين الأعمدة، متجنبة المناطق الأبطأ. هذا التعديل البسيط رفع كفاءة الكشف إلى أكثر من 99 في المائة وحسن الدقة الزمنية بنسبة 6 في المائة، لتنخفض إلى 233 بيكوثانية. كما أدى ذلك إلى تحسين الدقة المكانية، مما سمح للمستشعر بتحديد مسار الجسيم بدقة تصل إلى حوالي 7 ميكرومتر. تشير هذه النتيجة إلى أن إمالة صغيرة يمكن أن تعزز بشكل كبير قدرة المستشعر على تتبع الجسيمات في البيئة المزدحمة للمصادمات المستقبلية.

استكشف الباحثون أيضًا ما يحدث عندما تمر الجسيمات بمحاذاة المستشعر بزاوية ضحلة جدًا، بحيث تسير بشكل موازٍ تقريبًا لسطحه. سمحت هذه التقنية بفحص المستشعر عند أعماق مختلفة، مما كشف أن الأداء الزمني يختلف اعتمادًا على العمق الذي يسلكه الجسيم. فبالقرب من السطحين العلوي والسفلي، حيث يكون المجال الكهربائي أضعف، كانت الإشارات أبطأ. أما في القسم الأوسط من المستشعر، حيث تكون الأعمدة نشطة بالكامل، فقد كان التوقيت أكثر اتساقًا. ومن خلال دمج المعلومات الزمنية من العديد من البكسلات التي مر بها جسيم واحد، أظهر الفريق أنه يمكنهم تحسين الدقة بشكل أكبر، لتصل إلى دقة زمنية قدرها 170 بيكوثانية لمجموعات كبيرة من الضربات. وقد أثبت هذا أنه حتى مع العيوب المتأصلة في المستشعر، يمكن لمعالجة البيانات الذكية استخراج معلومات زمنية دقيقة للغاية.

في الختបញ្ចប់، أكدت الدراسة أن مستشعرات السيليكون ثلاثية الأبعاد التي تُقرأ بواسطة شريحة "Timepix4" هي أداة قوية لتجارب فيزياء الجسيمات المستقبلية. وبينما تخلق البنية الداخلية للمستشعر بعض عدم الانتظام في الأداء، فقد أظهر الباحثون أنه يمكن إدارة ذلك من خلال المعايرة الدقيقة وتعديل زاوية الكاشف. يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لكيفية تحسين هذه المستشعرات لتلبية المتطلبات الصارمة لمصادم الهادرونات الكبير عالي اللمعان، حيث يتطلب التمييز بين مليارات الاصطدامات كواشف ليست دقيقة في المكان فحسب، بل سريعة للغاية في الزمان أيضًا. تقدم هذه النتائج أساسًا متينًا للجيل القادم من أجهزة التتبع، مما يثبت أنه مع التصميم والتعديلات الصحيحة، يمكن لهذه الشرائح السيليكونية الصغيرة مواكبة أسرع الأحداث في الكون.