Leakage current evolution in LHCb VELO sensors during Run 1-2 LHC data taking period

في قلب مصادم الهادرونات الكبير، حيث تصطدم البروتونات بسرعات تقترب من سرعة الضوء، تراقب تجربة متخصصة تُدعى "LHCb" عن كثب لفهم سلوك الجسيمات ثقيلة النكهة. ولرؤية هذه الجسيمات العابرة، تعتمد التجربة على طبقة دقيقة من مستشعرات السيليكون الموضوعة على بُعد مليمترات قليلة فقط من نقطة التصادم. تعمل هذه المستشعرات مثل كاميرات عالية السرعة، حيث تلتقط مسارات الجسيمات أثناء انطلاقها من موقع الاصطدام. ومع ذلك، فإن العيش بالقرب من الحزمة هو وجود قاسٍ؛ إذ تتعرض المستشعرات باستمرار لقصف من عاصفة من الجسيمات دون الذرية، وهو قصف يتسبب ببطء في إتلاف البنية الداخلية لبلورة السيليكون. هذا الضرر لا يدمر المستشعرات فوراً، ولكنه يغير طريقة عملها، مما يتسبب في تسريب تيار كهربائي صغير ومستمر حتى في حال عدم مرور أي جسيمات. ينمو هذا التيار التسربي بمرور الوقت، وإذا أصبح كبيراً جداً، فإنه قد يتجاوز قدرة المستشعر على رؤية الإشارات الحقيقية، مما يؤدي فعلياً إلى "إعماء" الكاميرا. إن فهم كيفية نمو هذا التيار بالضبط، ولماذا يحدث ذلك، أمر ضروري للحفاظ على حياة هذه المستشعرات وللتنبؤ بكيفية صمود الكواشف المستقبلية في مثل هذه البيئات القاسية.

أمضى فريق من الباحثين مؤخراً سنوات في تحليل تاريخ هذه المستشعرات خلال أول دورتين رئيسيتين للمصادم، وهي فترة تمتد من عام 2011 إلى 2018. لقد جمعوا كمية هائلة من البيانات، حيث سجلوا درجة الحرارة والتيار الكهربائي لكل وحدة من وحدات المستشعرات على مدار ثماني سنوات. كان هدفهم هو اختبار نموذج تنبؤي مستخدم على نطاق واسع، يُعرف باسم "نموذج هامبورغ"، والذي يحاول حساب مقدار الضرر الذي يسببه الإشعاع وكيف يغير هذا الضرر التيار الكهربائي. ومن خلال مقارنة تنبؤات النموذج مقابل السجلات الفعلية والمستمرة للمستشعرات، استطاع الفريق معرفة ما إذا كان فهمهم لضرر الإشعاع دقيقاً أم أن هناك شيئاً مفقوداً من الصورة.

وجد الباحثون أن النموذج يعمل بشكل جيد جداً بشكل عام. فقد نجح في التنبؤ بالشكل العام لكيفية نمو تيار التسرب بمرور الوقت، بما في ذلك الفترات التي يتم فيها إغلاق المصادم لأعمال الصيانة. خلال هذه الاستراحات، تبرد المستشعرات، ويقوم الضرر داخل السيليكون بإصلاح نفسه جزئياً، مما يؤدي إلى انخفاض التيار. وقد التقط النموذج سلوك الشفاء هذا، المعروف باسم "التلدين"، بدقة مثيرة للإعجاب. ومع ذلك، عندما نظر الفريق عن كثب، لاحظ وجود فجوة ثابتة بين ما توقعه النموذج وما أبلغت عنه المستشعرات فعلياً. كانت المستشعرات تسرب تياراً أكثر مما توقعه النموذج، حتى بعد أخذ المتغيرات المعروفة في الاعتبار.

وعند الفحص الدقيق، أدرك الفريق أن المسبب المرجح هو قراءات درجة الحرارة نفسها. فالمستشعرات تُبرد بواسطة نظام يحافظ عليها عند حوالي ثماني درجات تحت الصفر مئوية، لكن موازين الحرارة الصغيرة المستخدمة لقياس هذه الدرجة ليست موضوعة مباشرة على بلورة السيليكون، بل تقع على الإلكترونيات المحيطة بها. ولأن السيليكون يسخن أكثر قليلاً من المكونات المجاورة أثناء التشغيل، كانت موازين الحرارة تسجل درجة حرارة أقل ببضع درجات من درجة الحرونة الفعلية للبلورة. وبما أن التسرب الكهربائي حساس للغاية لدرجة الحرارة، فإن هذا الفرق الصغير في القياس أدى إلى خطأ كبير في الحسابات. وعندما قام الباحثون بتعديل بياناتهم لتعكس درجة حرارة أعلى بمقدار 3.2 درجة عما أظهرته موازين الحرارة، كادت الفجوة بين التنبؤ والواقع أن تتلاشى. لقد تطابق النموذج مع القياسات تماماً، مما أكد أن فيزياء الضرر مفهومة، ولكن البيانات البيئية كانت بحاجة إلى تصحيح صغير.

بقيت هناك لغز واحد. فقد توقع الباحثون أن المستشعرات الأقرب إلى مركز الحزمة ستعاني من ضرر أكبر بكثير من تلك البعيدة، ببساطة لأنها تُضرب بعدد أكبر من الجسيمات. وبينما كان هذا الاتجاه مرئياً، إلا أن الفرق بين المستشعرات لم يكن دراماتيكياً كما توقعت المحاكاة الحاسوبية. اقترح النموذج أن الضرر يجب أن ينخفض بشكل حاد مع المسافة، لكن المستشعرات الحقيقية أظهرت تغيراً أكثر تدريجاً. وقد أرجع الفريق هذا التباين ليس إلى نموذج الضرر نفسه، بل إلى المحاكاة المستخدمة لتقدير عدد الجسيمات التي تصيب كل مستشعر. يبدو أن البرنامج الحاسوبي الذي يحسب عاصفة الجسيمات، والمبني على فيزياء معقدة لكيفية تفاعل الجسيمات مع المادة، يقلل من تقدير عدد الجسيمات التي تصل إلى المستشعرات الخارجية. وهذا يشير إلى أنه بينما النظرية المتعلقة بكيفية إلحاق الإشعاع الضرر بالسيليكون هي نظرية راسخة، فإن الأدوات المستخدمة للتنبؤ بدقة بمكان وكمية الضرر في مثل هذه البيئة المعقدة لا تزال بحاجة إلى تحسين.

تسلط هذه الدراسة الضوء على أهمية المراقبة طويلة المدى في الواقع في مجال فيزياء الطاقات العالية. فمن خلال جمع البيانات بشكل مستمر على مدار ثماني سنوات، تمكن الباحثون من رصد أنماط دقيقة كانت الاختبارات قصيرة المدى ستغفل عنها. لقد أثبتوا أن النموذج القياسي لضرر الإشعاع قوي، شريطة قياس درجة الحرارة بدقة. كما حددوا نقطة ضعف محددة في أدوات المحاكاة المستخدمة لرسم خريطة لبيئة الإشعاع، وهو اكتشاف سيساعد في تحسين تصميم الكواشف المستقبلية. وبينما يخطط العلماء للجيل القادم من التجارب، التي ستواجه إشعاعات أكثر كثافة، تضمن هذه الدروس أن مستشعرات السيليكون الخاصة بهم ستُبنى بفهم أوضح للظروف القاسية التي يجب أن تتحملها.