Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment

في أعماق جبل غران ساسو في إيطاليا، يجري بناء تجربة ضخمة للاستماع إلى أضعف همسات أكثر سكان الكون غموضاً وتملصاً: المادة المظلمة. يعتقد العلماء أن هذه المادة غير المرئية تشكل معظم المادة في الكون، ومع ذلك فهي نادراً ما تتفاعل مع الأشياء العادية التي يمكننا رؤيتها ولمسها. ولرصد لمحة من جسيم المادة المظلمة، يستخدم الباحثون خزانًا مليئًا بأطنان من الأرجون السائل، وهو سائل فائق البرودة يعمل كهدف وككاشف في آن واحد. فعندما يصطدم جسيم من المادة المظلمة بذرة أرجون، فإنه يولد ومضة ضوئية ضئيلة. ويكمن التحدي في أن هذه الومضات خافتة للغاية، وغالباً ما تتكون من بضعة فوتونات فقط، وتحدث وسط بحر من الضجيج الخلفي. ولرؤيتها، تحتاج التجربة إلى "عيون" ليست حساسة بما يكفي لالتقاط فوتون واحد فحسب، بل هادئة أيضاً بحيث لا تولد إشارات خاطئة خاصة بها في الظلام المتجمد.

تعتمد تجربة "DarkSide-20k"، التي هي قيد الإنشاء حالياً، على نوع جديد من مستشعرات الضوء يسمى "المضاعف الضوئي السيليكوني". وخلافاً للأنابيب المفرغة التقليدية المستخدمة في التجارب القديمة، فإن هذه المستشعرات هي أجهزة حالة صلبة مصنوعة من السيليكون، تشبه الرقائق الموجودة في أجهزة الكمبيوتر ولكنها مصممة للكشف عن الضوء. وقد اختيرت لقدرتها على العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية وخلوها من النشاط الإشعاعي الطبيعي، وهو أمر بالغ الأهمية لأن أي إشعاع خلفي من المستشعر نفسه يمكن أن يحاكي إشارة المادة المظلمة. ومع ذلك، كان لابد من إتقان هذه المستشعرات للقيام بهذه المهمة؛ فقد عانت النسخ الأولى في البرد، حيث أنتجت الكثير من الضجيج الداخلي وخلقت إشارات خاطئة من شأنها أن تغرق همسات المادة المظلمة الخافتة. وكان على الباحثين إثبات أن الجيل الأحدث من هذه المستشعرات، الذي طورته مؤسسة "برونو كيسلر" (Fondazione Bruno Kessler)، يمكنه العمل بلا خلل في البيئة القاسية للأرجون السائل.

ولضمان جاهزية المستشعرات للعمل في الأعماق تحت الأرض، أجرى فريق من العلماء سلسلة صارمة من الاختبارات في مختبرين مختلفين، أحدهما في كندا والآخر في إيطاليا. قاموا بتبريد المستشعرات إلى 77 كلفن، وهي درجة حرارة تزيد بـ 77 درجة فقط فوق الصفر المطلق، وهي نفس درجة حرارة النيتروجين السائل. وفي هذه الحالة المتجمدة، قاموا بقياس سلوك المستشعرات عندما تكون في ظلام تام. لقد قاموا بعدّ النبضات الإلكترونية العشوائية التي تحدث حتى بدون ضوء، والمعروفة باسم "الضجيج المظلم"، ووجدوا أن المستشعرات الجديدة كانت هادئة بشكل ملحوظ. وكان معدل هذه الإشارات الخاطئة منخفضاً بما يكفي لتتمكن التجربة من تمييز حدث حقيقي عن الضجيج الخلفي. كما درسوا كيفية تفاعل المستشعرات عندما يصطدم بها فوتون واحد، حيث قاموا بقياس الشحنة الكهربائية الناتجة. وقد سمح لهم ذلك بحساب "الكسب" الخاص بالمستشعر، أو مقدار تضخيمه لإشارة صغيرة، وأكدوا أن هذا التضخيم يزداد بشكل يمكن التنبؤ به مع رفع الجهد الكهربائي.

تضمن جزء حاسم من الاختبار فهم كيفية قيام المستشعرات بتنشيط بعضها البعض عن طريق الخطأ. فعندما يصطدم فوتون بمستشعر ما ويخلق إشارة، فإنه قد يطلق أحياناً فوتوناً ثانوياً يطير ويصطدم بمستشعر مجاور، مما يسبب سلسلة من الإشارات الخاطئة. قام الباحثون بقياس هذا "التداخل" (crosstalk) ووجدوا أنه رغم حدوثه، فقد تم هندسة المستشعرات الجديدة لتقليله بشكل كبير. كما بحثوا في ظاهرة "النبض اللاحق" (afterpulsing)، وهي ظاهرة حيث يطلق المستشعر نبضة أخرى بعد وقت قصير من الضربة الأولى بسبب الشحنات الكهربائية المحتجزة. وقد قلل التصميم الجديد من هذا التأثير لدرجة أنه أصبح الآن ضئيلاً للغاية بالنسبة لاحتياجات التجربة. أكدت هذه النتائج أن المستشعرات لن تخلق فوضى مربكة من الإنذارات الكاذبة في الكاشف النهائي.

ثم وجه الفريق اهتمامهم إلى مدى قدرة المستشعرات على رؤية الضوء الذي صُممت للكشف عنه بالفعل. في تجربة "DarkSide-20k"، ينبعث من الأرجون السائل ضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وهو غير مرئي للمستشعرات. ولجعل هذا الضوء مرئياً، يتم طلاء الخزان بمادة كيميائية خاصة تمتص الأشعة فوق البنفسجية وتعيد انبعاثها كضوء أزرق. وقاس الباحثون كفاءة المستشعرات في اكتشاف هذا الضوء الأزرق عبر نطاق واسع من الألوان. ووجدوا أن المستشعرات جيدة بشكل استثنائي في التقاط هذه الفوتونات، بكفاءة تصل ذروتها إلى ما يقرب من 50 بالمائة. وهذا يعني أنه مقابل كل فوتونين من اللون الصحيح يصطدمان بالمستشعر، يتم اكتشاف وتسجيل فوتون واحد بنجاح. كما رسموا خريطة لكيفية تغير هذه الكفاءة مع الأطوال الموجية المختلفة، مؤكدين أن المستشعرات مضبوطة بدقة على الضوء الأزرق المحدد الناتج عن طلاء التجربة.

أخيراً، استقصى العلماء الفوتونات الثانوية المنبعثة من المستشعرات نفسها أثناء انهيار الشحنة الكهربائية. هذه الفوتونات الشاردة يمكن أن تنتقل عبر الأرجون السائل وتحفز مستشعرات أخرى، مما يخلق شكلاً من أشكال التداخل الخارجي الذي يجب أن تأخذه النماذج الحاسوبية للتجربة في الاعتبار. ومن خلال تسليط ليزر على المستشعرات والتقاط الضوء الخافت الذي تبعثه باستخدام كاميرا حساسة، قام الفريق بقياس طيف وشدة هذا الضوء الثانوي. واستخدموا هذه القياسات للتنبؤ بعدد هذه الفوتونات الشاردة التي ستخرج من المستشعر وتنتقل عبر الأرجون السائل في الكاشف النهائي. هذه البيانات حيوية لبناء محاكاة حاسوبية دقيقة للتجربة، مما يسم يسمح للفيزيائيين بالتمييز بين إشارات المادة المظلمة الحقيقية وبين الشبكة المعقدة من التفاعلات الناتجة عن المستشعرات نفسها.

تؤكد الاختبارات الشاملة الموصوفة في هذه الورقة أن المستشعرات السيليكونية الجديدة جاهزة للتحدي. فهي تجمع بين الحساسية العالية والضجيج المنخفض والتدخل الأدنى، مما يجعلها مثالية لتجربة "DarkSide-20k". ومن خلال إثبات قدرة هذه الأجهزة على العمل بموثوقية في البرد القارس واكتشاف الومضات الخافتة للضوء الناتجة عن تفاعلات المادة المظلمة المحتملة، وضع الباحثون أساساً متيناً لواحدة من أكثر عمليات البحث عن المادة المظلمة حساسية على الإطلاق. إن هذا العمل يضمن أنه عندما يصبح الكاشف جاهزاً للعمل بالكامل، سيكون مستعداً للاستماع بأوضح "آذان" ممكنة، ليكون جاهزاً لسماع أعمق أسرار الكون.