The scintillating fibre beam monitor for the CHNet-MAXI experiment at ISIS: characterisation of the light collection and detection system

في الدراسة الهادئة للتاريخ القديم، يبرز الرصاص كراوٍ صامت للقصص. فلقد قام الحرفيون لقرون بتشكيل هذا المعدن في كل شيء، من الأنابيب الرومانية إلى منحوتات عصر النهضة، ومع ذلك، غالبًا ما يظل الأصل المحدد للخام المستخدم في هذه القطع لغزًا. وتعمل الأشكال المستقرة المختلفة لذرات الرصاص، المعروفة باسم النظائر، مثل بصمة كيميائية، تكشف عن المنجم الذي استُخرج منه المعدن لأول مرة. ومع ذلك، كان قراءة هذه البصمة دون إتلاف القطعة الأثرية الثمينة تحديًا طويل الأمد. ويقدم نهج جديد، يستخدم حزمة من الجسيمات دون الذرية تسمى "الميونات"، وسيلة لإلقاء نظرة داخل هذه الأشياء دون إتلافها. فعندما يتم التقاط ميون بواسطة ذرة رصاص، فإنه يطلق سلسلة من الطاقة تكشف عن هوية الذرة. ولإنجاح هذه التقنية، يجب على العلماء أولاً إتقان فن توجيه وعدّ هذه الجسيمات العابرة بدقة متناهية، لضمان أن يكون كل قياس دقيقًا وأن تظل كل قطعة أثرية دون مساس.

في مصدر "آيزيس" للنيوترونات والميونات (ISIS) في المملكة المتحدة، يستعد فريق من الباحثين لتجربة كبرى تسمى "CHNet-MAXI"، مصممة لفك أسرار الرصاص في التراث الثقافي. وقبل أن يتمكنوا من بدء عملهم على القطع الأثرية القديمة، كان عليهم بناء واختبار أداة متخصصة: مراقب الحزمة. يعمل هذا الجهاز ككاميرا عالية السرعة لحزمة الجسيمات، حيث يتتبع بدقة مكان وجود الميونات وعددها الذي يمر في أي لحظة معينة. يتكون المراقب من طبقتين مسطحتين من الألياف البلاستيكية، حيث كل ليفة عبارة عن أنبوب مربع صغير يبلغ عرضه ثلاثة مليمترات وطوله عشرة سنتيمترات. وتترتب هذه الألياف في شبكة، حيث تقيس طبقة واحدة الموقع الأفقي بينما تقيس الأخرى الموقع الرأسي. وعندما يصطدم جسيم بليف، فإنه ينتج ومضة ضوئية، يتم التقاطها بواسطة عيون إلكترونية حساسة تسمى "المضاعفات الضوئية السيليكونية". ويعد التجميع بأكمله عبارة عن شبكة دقيقة من أربعة وستين ليفًا، كل منها متصل بمستشعر إلكتروني خاص به، وكلها موضوعة داخل غطاء مصنوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

أدرك الباحثون أنه لكي تنجح التجربة، يجب أن يكون هذا المراقب مثاليًا. فقد كانوا بحاجة إلى فهم كيفية انتقال الضوء عبر الألياف وكيفية استجابة المستشعرات الإلكترونية له. ولتحقيق ذلك، لجأوا إلى محاكاة حاسوبية قوية. ومن خلال إنشاء نموذج افتراضي للكاشف، استطاعوا مشاهدة كيفية سلوك حزمة من الميونات أثناء مرورها عبر الألياف. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه عند مستوى الطاقة المحدد للتجربة، ستنتقل الميونات عبر الطبقة الأولى من الألياف ثم تتوقف داخل الطبقة الثانية، وتفرغ طاقتها بطريقة يمكن التنبؤ بها. كانت هذه النمذجة الحاسوبية حاسمة لأنها ساعدت الفريق في حساب "عامل التصحيح"، وهو تعديل رياضي مطلوب لتحويل الإشارات الكهربائية الخام إلى عدد دقيق من الجسيمات. وأشارت المحاكاة إلى أنه نظرًا لأن الألياف متراصة بشدة، فإن كل ميون تقريبًا سيصطدم بليف واحد على الأقل، مما يعني أن عامل التصحيح سيكون قريبًا جدًا من الواحد الصحيح، مما يبسط الحسابات النهائية بشكل كبير.

ومع وضع النظرية موضع التنفيذ، أخذ الفريق الكاشف إلى منشأة مختلفة في إيطاليا، وهي مركز "CNAO"، لاختباره باستخدام حزمة من البروتونات. كانت هذه بمثابة بروفة عامة باستخدام نوع مختلف من الجسيمات، ولكنها سمحت لهم بفحص الأجهزة وأنظمة جمع البيانات. أطلقوا حزمة من البروتونات باتجاه الكاشف وراقبوا النتائج على الشاشة. لقد عمل الجهاز بنجاح، حيث نجح في رسم شكل الحزمة وأكد أن الإلكترونيات يمكنها التعامل مع المهمة. ومع ذلك، كشفت البيانات الأولية عن مشكلة: لم تكن الاستجابة موحدة. فقد كانت بعض الألياف تسجل إشارة أقوى من غيرها، حتى عند تعرضها لنفس القدر من الطاقة. وهذا التفاوت كان من شأنه أن يشوه الصور النهائية للقطع الأثرية القديمة، مما يجعل بعض الأجزاء تبدو أكثر سطوعًا أو قتامة مما هي عليه في الواقع. وأدرك الفريق أنه قبل أن يتمكنوا من الوثوق بالجهاز باستخدام الميونات الحقيقية، كان عليهم موازنة حساسية كل ليف على حدة.

ولإصلاح ذلك، أجرى الباحثون عملية معايرة دقيقة باستخدام مصدر لأشعة غاما. وضعوا مصدرًا مشعًا صغيرًا فوق الكاشف وقاسوا مخرجات الضوء من كل ليف من الألياف الـ 64. وبما أن المصدر ينبعث منه إشعاع بنمط يمكن التنبؤ به، فقد عرف الباحثون بالضبط مقدار الضوء الذي يجب أن ينتجه كل ليف بناءً على مسافته من المصدر. وقارنوا القياسات الفعلية بهذا النمط المتوقع. وحيثما كان الليف شديد الحساسية، طبقوا عامل خفض صغير؛ وحيثما كان ضعيفًا، طبقوا عامل تعزيز. هذه العملية، المعروفة باسم "التسوية" (equalization)، قامت بتنعيم الفروقات بين القنوات. وبعد التعديل، أنتج الكاشف صورة نظيفة وموحدة للحزمة، دون وجود بقع ساخنة أو باردة اصطناعية. وتحقق الفريق من أن هذه المعايرة لم تغير الحجم الإجمالي أو موقع الحزمة، بل غيرت فقط اتساق الإشارة عبر السطح.

الخطوة النهائية هي إحضار الكاشف إلى منشأة "آيزيس"، حيث سيتم تركيبه على خط الحزمة لتجربة "CHNet-MAXI". أصبح الجهاز الآن جاهزًا ليعمل كـ "عيون" التجربة، حيث يقوم بعدّ كل ميون يمر عبره وضمان تصحيح البيانات المجموعة بشكل صحيح. ومن خلال معرفة عدد الجسيمات التي تصطدم بالعينة بدقة، يمكن للعلماء تحديد النسب النظائرية بدقة دون لمس القطعة الأثرية أبدًا. إن الاختبار الناجح والمعايرة لجهاز مراقب الألياف الوميضية يمثلان علامة فارقة حاسمة؛ إذ يحولان تجميعًا معقدًا من البلاستيك والإلكترونيات إلى أداة علمية موثوقة، مما يمهد الطريق لعصر جديد من التحليل غير المدمر في علم الآثار. إن المسار من المحاكاة الحاسوبية إلى المعايرة النهائية قد ضمن أنه عندما يتم فحص أول قطعة أثرية، ستكون النتائج واضحة وصادقة بقدر ما هو التاريخ الذي تهدف هذه الأدوات إلى كشفه.