Monitoring antiproton numbers with a CMOS detector in a dense-track environment

في قلب مختبر سيرن بسويسرا، يعمل العلماء على فهم السبب وراء كون الكون مكوناً من مادة على الإطلاق. ففي اللحظات التي أعقبت الانفجار العظيم، كان ينبغي أن تُخلق المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، لتفني كل منهما الأخرى فوراً. ومع ذلك، نحن هنا، محاطون بالمادة. ولحل هذا الغموض، يدرس الباحثون المادة المضادة بدقة متناهية، بحثاً عن أدنى اختلاف في سلوكها مقارنة بالمادة العادية. تهدف إحدى هذه التجارب، وتسمى "جي بار" (GBAR)، إلى إنشاء ذرات الهيدروجين المضاد -وهي صور مرآتية للهيدروجين العادي- وإسقاطها لمعرفة كيف تؤثر الجاذبية عليها. وللقيام بذلك، يجب على الفريق أولاً جمع عدد محدد من البروتونات المضادة، وهي اللبنات الأساسية سالبة الشحنة للمادة المضادة، وإبطاء سرعتها لتصل إلى زحف هادئ. ويكمكم التحدي في أن هذه الجسيمات غير مرئية وتتلاشى في اللحظة التي تلمس فيها المادة العادية، مما يجعل من الصعب للغاية معرفة العدد الموجود بالضبط في أي وقت. فبدون عد دقيق، تصبح القياسات الدقيقة المطلية لاختبار قوانين الفيزياء مستحيلة.

ولحل مشكلة العد هذه، طور فريق "جي بار" طريقة ذكية باستخدام كاميرا رقمية معدلة لمراقبة تداعيات تصادمات الجسيمات. داخل غرفة الفراغ الخاصة بهم، يوجهون حزمة من البروتونات المضادة نحو سطح كاشف متخصص مصنوع من أنابيب زجاجية دقيقة. وعندما يصطدم بروتون مضاد بهذا السطح، فإنه يتلاشى ويطلق دفقة من الطاقة التي تنثر سحابة من جسيمات جديدة سريعة الحركة. أدرك الفريق أنه إذا تمكنوا من عد جسيمات الرذاذ هذه، فيمكنهم العودة بالخطوات إلى الوراء لتحديد العدد الدقيق للبروتونات المضادة التي وصلت. قاموا بتثبيت كاميرا رقمية تجارية، مجردة من عدستها وملفوفة بورق قصدير عازل للضوء، خارج غرفة الفراغ. هذه الكاميرا مجهزة بمستشعر شديد الحساسية مكون من ملايين البكسلات المجهرية، تشبه تلك الموجودة في الهواتف الذكية ولكنها أكثر دقة بكماك. ومع اصطدام رذاذ الجسيمات الناتج عن الفناء بالمستشعر، فإنه يترك وراءه مسارات صغيرة من الشحنة الكهربائية، والتي تسجلها الكاميرا كمجموعات متميزة من الضوء.

واجه الباحثون عقبة كبيرة: فالبيئة مزدحمة بالجسيمات، والسطح الذي تصطدم به البروتونات المضادة معقد وغير مستوٍ. كان عليهم التأكد من قدرة الكاميرا على التمييز بين حدث بروتون مضاد واحد وبين الضوضاء الخلفية، ومن قدرتها على التعامل مع ملايين الأحداث دون ارتباك. ومن خلال الاختبار الدقيق، وجدوا أن مستشعر الكاميرا مثالي تقريباً لهذه المهمة؛ فهو حساس لدرجة أنه يرصد كل جسيم يمر عبره تقرياً، ومع ذلك يظل "أعمى" تجاه الإشعاع الخلفي الذي يربك الكواشف الأخرى عادةً. ومن خلال تحليل حجم وشكل مجموعات الضوء على المستشعر، استطاع الفريق تحديد الزاوية التي وصلت بها الجسيمات وحتى تقدير سمك الطبقة النشطة للمستشعر. واكتشفوا أنه مقابل كل بروتون مضاد يصطدم بالهدف، يظهر عدد يمكن التنبؤ به من الجسيمات المشحونة الجديدة، مما يخلق بصمة موثوقة يمكن للكاميرا عدها بدقة عالية.

ولتحويل هذه الأعداد إلى رقم دقيق للبروتونات المضادة، تعين على الفريق مراعاة هندسة إعداداتهم وسلوك الجسيمات أثناء انتقالها من الهدف إلى الكاميرا. استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة كيفية حركة الجسيمات عبر الفراغ وتفاعلها مع المعدات المحيطة. ساعدتهم هذه المحاكاة في فهم أن عدد الجسيمات التي تصل إلى الكاميرا يعتمد على المسافة من الهدف والمواد المحددة التي تمر عبرها الجسيمات. ومن خلال مقارنة أعداد الكاميرا في موقعين مختلفين -واحد قريب من مصدر الحزمة وآخر أبعد في المسار- تمكنوا من معايرة نظامهم. ووجدوا أن نسبة الجسيمات المكتشفة في الموقعين تتطابق مع نماذجهم الحاسوبية، مما أكد سلامة منهجيتهم. سمح لهم ذلك بإنشاء معادلة بسيطة: فمن خلال عد مجموعات الضوء في الكاميرا ومعرفة المسافة ومتوسط عدد الجسيمات الناتجة عن كل بروتون مضاد، يمكنهم حساب العدد الإجمالي للبروتونات المضادة في الحزمة.

النتيجة هي طريقة جديدة لقياس المادة المضادة تتسم بالمتانة والدقة. أثبت الفريق أن منهجيتهم يمكنها إعادة بناء ملايين عمليات فناء البروتونات المضادة بهامش خطأ إجمالي يبلغ حوالي عشرة بالمائة تقريباً. ويتحقق هذا المستوى من الدقة لأن الكاميرا تعد الجسيمات مباشرة، متجاوزة العديد من حالات عدم اليقين التي تعاني منها تقنيات القياس الأخرى. يقلل هذا النهج من الأخطاء الناجمة عن السطح المعقد للهدف أو التباين في عدد الجسيمات الناتجة في كل تصادم، حيث تلغي هذه العوامل بعضها البعض عند معايرة النظام مقابل شدة حزمة معروفة. إن نجاح هذه التقنية يعني أن تجربة "جي بار" يمكنها الآن مراقبة إمدادات البروتونات المضادة بثقة كبيرة، مما يضمن أن الخطوات اللاحقة لإنشاء ودراسة الهيدروجين المضاد تقوم على أساس متين. إنه انتصار هادئ ولكنه جوهري، يحول رذاذاً فوضوياً من الحطام دون الذري إلى إشارة واضحة وقابلة للعد، تقرب العلماء خطوة أخرى من فهم الطبيعة الأساسية لكوننا.