Measurement of the Ar specific activity in atmospheric argon with DArT at the Canfranc Underground Laboratory
باستخدام كاشف DArT في مختبر كانفرانك تحت الأرض، قاس الباحثون النشاط النوعي لـ في الأرغون الجوي بـ ، مما أرسى أدق تحديد تم التوصل إليه حتى الآن وصادق على كفاءة الكاشف لتجارب المادة المظلمة المستقبلية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق الأرض، في مختبر هادئ منحوت في جبال البرانس بإسبانيا، يستمع العلماء إلى أضعف همسات الكون. إنهم يبحثون عن المادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية التي تشكل معظم الكتلة في الكون ولكنها ترفض التفاعل مع الضوء. ولرصد لمحة منها، يستخدم الباحثون خزانات مليئة بالأرجون السائل، وهو غاز نبيل يتوهج لفترة وجيزة عند اصطدامه بجسيم ما. يعمل هذا التوهج كإشارة، ومضة ضوئية تخبر الكاشف بحدوث تصادم. ومع ذلك، هناك مشكلة في الأرجون الذي نتنفسه؛ فالأرجون الموجود في غلافنا الجوي يحتوي على كمية ضئية من نظير مشع يسمى أرجون-39. يعمل هذا النظير مثل ضجيج استاتيكي مستمر ومنخفض المستوى، حيث يبعث إلكترونات يمكن أن تحاكي الإشارات ذاتها التي يحاول العلماء العثور عليها. وللسماع إلى همس المادة المظلمة الخافت، يحتاجون إلى معرفة مدى قوة هذا الضجيج الاستاتيكي بدقة، ويحتاجون إلى إيجاد مصدر للأرجون خالٍ تماماً منه.
أجرى فريق من الباحثين مؤخراً قياساً دقيقاً لتحديد مقدار هذا الضجيج الإشعاعي الموجود في الأرجون الجوي بدقة. وقد استخدموا كاشفاً صغيراً عالي الحساسية يسمى (DArT)، يقع داخل مبرد (cryostat) مليء بالنيتروجين السائل للحفاظ على برودة الأرجون وحالته السائلة. تم تصميم التجربة لتكون نظيفة قدر الإمكان، باستخدام نقطة مرجعية فريدة: عينة من "الأرجون الجوفي". تم استخراج هذا الغاز الخاص من آبار عميقة في كولورادو، حيث ظل معزولاً عن الغلاف الجوي لملايين السنين، مما يعني أنه لا يحتوي تقريباً على أي بقايا من الأرجون-39 المشع. ومن خلال مقارنة مستوى الضجيج في الأرجون الجوي مقابل الأرجون الجوفي شبه الصامت، تمكن الفريق من قياس النشاط النوعي للنظير المشع بدقة غير مسبوقة.
ملأ الباحثون الكاشف أولاً بالأرجون الجوي ثم بالعينة الجوفية. وداخل الكاشف، يعمل الأرجون السائل كمصدر للإشعاع ووسط لالتقاط الضوء في آن واحد. فعندما يتحلل ذرة من الأرجون-39، فإنه يطلق إلكتروناً يخلق ومضة ضوء. ويقوم الكاشف، المزود بمستشعرات ضوئية فائقة الحساسية، بعدّ هذه الومضات. وبما أن الأرجون الجوفي يتميز بمستوى منخفض جداً من النشاط الإشعاعي، فقد كان بمثابة مرجع خلفي مثالي. لم يحتج الفريق إلى الاعتماد على محاكاة حاسوبية معقدة لتخمين شكل الضجيج الخلفي؛ بل استطاعوا ببساطة طرح إشارة العينة الجوفية من إشارة العينة الجوية. وقد أدت هذه المقارنة المباشرة إلى إزالة الكثير من أوجه عدم اليقين التي عادة ما تعيب مثل هذه القياسات.
أسفرت الدراسة عن رقم دقيق للغاية للنشاط النوعي للأرجون-39 في الغلاف الجوي: 0.955 تحلل في الثانية لكل كيلوغرام من الأرجون. وتعتبر هذه النتيجة متسقة مع القياسات السابقة، لكنها أكثر دقة بشكل ملحوظ، حيث قللت نسبة عدم اليقين بمقدار ثلاثة أضعاف مقارنة بأفضل البيانات السابقة. وقد أكد الباحثون هذه النتيجة باستخدام طريقتين مختلفتين: تقنية عد مباشرة، وتحليل إحصائي أكثر تعقيداً لطيف الطاقة. وقد أدت كلتا الطريقتين إلى نفس الاستنتاج، مما عزز موثوقية النتيجة. كما تحققوا بعناية من وجود مصادر أخرى للتداخل، مثل تسربات النيتروجين أو الملوثات المشعة الأخرى، ووجدوا أن كاشفهم ظل مستقراً ونقياً طوال فترات جمع البيانات الطويلة.
يعد هذا القياس قطعة حاسمة في أحجية التجارب المستقبلية التي تهدف إلى اكتشاف المادة المظلمة. إذ تخطط مشاريع مثل (DarkSide-20k) و(LEGEND-1000) لاستخدام مئات الأطنان من الأرجون السائل للبحث عن جسيمات المادة المظلمة. ولكي تعمل هذه الكواشف الضخمة، يجب أن تستخدم أرجوناً تم تنقيته لإزالة الأرجون-39 المشع. إن معرفة الكمية الأولية الدقيقة للنشاط الإشعاعي في الغاز الجوي الخام تسمح للعلماء بحساب مقدار التنقية المطلوبة والتنبؤ بمستويات الضجيج الخلفي في تجاربهم النهائية بثقة. كما أن نجاح كاشف (DArT) في هذا الاختبار يثبت كفاءة التكنولوجيا التي ستُستخدم في المنشآت الكبيرة تحت الأرض، مما يثبت أن المستشعرات والأنظمة المبردة يمكن أن تعمل بموثوقية في الظروف القاسية المطلوبة لهذه التحقيقات في أعماق الفضاء.
كما أن لهذه النتائج آثاراً تتجاوز فيزياء الجسيمات. يُستخدم الأرجون-39 في تأريخ المياه الجوفية والجليد، مما يساعد العلماء على فهم تاريخ المناخ وحركة المياه عبر فترات زمنية تتراوح من عقود إلى ألف عام. ويؤثر عدم اليقين في مستوى النشاط الجوي مباشرة على دقة هذه التأريخات. ومن خلال تحديد هذه القيمة بهذه الدقة، قدم الباحثون مرجعاً أكثر موثوقية لتأريخ عينات المياه الحديثة. يوضح هذا العمل أنه من خلال استخدام مقارنة مباشرة وبسيطة بين عينتين من الغاز - واحدة صاخبة والأخرى هادئة - يمكن للعلماء إزالة التخمينات وكشف الطبيعة الحقيقية للمواد التي تشكل عالمنا والكون من ورائنا.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.