The PICO-40L detector

على مدى عقود، عرف علماء الفلك أن الكون مليء بشيء غير مرئي. لا يمكننا رؤيته، وهو لا يشع ضوءاً، ومع ذلك فإن جاذبيته هي التي تمسك بالمجرات وتُشكل الكون. هذه المادة غير المرئية تسمى المادة المظلمة. وبينما نعلم بوجودها، إلا أننا لا نعرف مما تتكون. تشير إحدى النظريات الرائدة إلى أنها تتكون من جسيمات ضخمة تتفاعل نادراً مع المادة العادية، وتعرف باسم الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل، أو ما يُعرف بـ (WIMPs). إذا وجدت هذه الجسيمات، فمن المفترض أن تصطدم أحياناً بنوى الذرات في كاشف على الأرض، مما يؤدي إلى إنتاج ومضة طاقة ضئيلة. والتحدي يكمن في أن هذه الاصطدامات نادرة للغاية وتنتج إشارات خافتة جداً لدرجة أنه يسهل طمسها بواسطة الضوضاء الخلفية الطبيعية، مثل الإشعاع الصادر من الصخور أو الأشعة الكونية. وللعثور عليها، يجب على العلماء بناء كواشف في أعماق الأرض، محمية بأميال من الصخور، واستخدام مواد نقية للغاية بحيث لا تنبعث منها إشعاعات خاصة بها.

قام فريق من الباحثين يُعرف باسم "تعاون بيكو" (PICO Collaboration) ببناء كاشف جديد لصيد هذه الجسيمات المراوغة، وقد نشروا تقريراً مفصلاً حول تصميمه وأدائه الأولي. الكاشف، المسمى (PICO-40L)، هو غرفة فقاعات كبيرة تقع على عمق كيلومترين تحت الأرض في منجم في سدبريري، كندا. وخلافاً للكواشف التقليدية التي تستخدم بلورات صلبة أو خزانات سائلة، تستخدم هذه الآلة سائلاً خاصاً يسمى "أوكتافلوروبروبان"، والذي يتم الاحتفاظ به في حالة جاهزة للغليان ولكن يتم منعها عن طريق الضغط. عندما يصطدم جسيم بذرة في هذا السائل، فإنه يودع كمية ضئيلة من الطاقة، مما يتسبب في تكوين فقاعة صغيرة على الفور. تم تصميم الآلة لتكون حساسة للغاية بحيث يمكنها اكتشاف إيداع الطاقة الضئيل الناتج عن اصطدام المادة المظلمة، مع تجاهل إيداعات الطاقة الأكبر بك much من أنواع الإشعاع الأخرى التي لا تُنشئ فقاعات.

يمثل الكاشف (PICO-40L) تطوراً هاماً في كيفية بناء غرف الفقاعات هذه. استخدمت النسخ السابقة من التجربة تصميماً حيث يستقر السائل المستهدف فوق سائل عازل، ويفصل بينهما حاوية واحدة. هذا الإعداد القديم خلق حداً فاصلاً بين سائلين مختلفين، وهو ما كان يؤدي أحياناً إلى توليد إشارات خاطئة. يستخدم (PICO-40L) الجديد ترتيباً مختلفاً تماماً، يطلق عليه الفريق اسم تصميم "الجانب الصحيح للأعلى" (Right-Side-Up). في هذا التكوين، يتم الاحتفاظ بالسائل المستهدف داخل وعاء زجاجي مزدوج الجدران يقع في قاع الغرفة، مع وجود نظام الضغط في الأسفل بدلاً من الأعلى. هذا التغيير يزيل الواجهة بين سائلين ويقوم بنقل الأجزاء الميكانيكية التي قد تسبب الضوضاء إلى منطقة باردة وغير نشطة. والنتيية هي بيئة أنقى حيث يكون الكاشف أقل عرضة للخداع بواسطة الضوضاء الخلفية.

للحفاظ على عمل الكاشف بشكل صحيح، توجب على الفريق حل مشكلة حرارية صعبة. يجب الحفاظ على السائل داخل الغرفة عند درجتين مختلفتين من الحرارة في الوقت نفسه. يجب إبقاء الحجم الرئيسي حيث يحدث البحث عن المادة المظلمة دافئاً بما يكفي ليكون جاهزاً لتكوين الفقاعات، عادةً عند حوالي ثلاثة عشر درجة مئوية. ومع ذلك، يجب إبقاء الجزء السفلي من الوعاء، حيث توجد الأنابيب والأختام الميكانيكية، أبرد بكثير، حوالي سالب اثنين وعشرين درجة مئوية. إذا أصبح الجزء السفلي دافئاً جداً، فقد يبدأ السائل هناك في الغلي من تلقاء نفسه، مما يخلق فقاعات تبدو مثل إشارات المادة المظلمة ولكنها في الواقع مجرد ضوضاء حرارية. وقد بنى الباحثون نظاماً معقداً من ملفات التبريد وألواح التسخين للحفاظ على هاتين المنطقتين الحراريتين المتمايزتين، مما يضمن أن الفقاعات تتكون فقط في المنطقة النشطة حيث يمكن للكاميرات رؤيتها.

الكاشف مجهز بنظام متطور لمراقبة هذه الفقاعات. أربع كاميرات عالية السرعة مثبتة حول الغرفة، تلتقط صوراً للسائل من زوايا مختلفة. عندما تتكون فقاعة، تلتقط الكاميرات نموها، مما يسمح للعلماء بحساب مكان حدوثها بالضبط ومدى حجمها. وإلى جانب الكاميرات، تستخدم الآلة اثني عشر ميكروفوناً صغيراً، تُعرف باسم محولات الطاقة الكهرضغطية (piezoelectric transducers)، مضغوطة ضد الجزء الخارجي من الوعاء الزجاجي. هذه الميكروفونات تستمع إلى صوت تكون الفقاعة. تُحدث أنواع مختلفة من الجسيمات أصواتاً مختلفة؛ فعلى سبيل المثال، تُصدر جسيمات ألفا، وهي مصدر شائع للضوضاء الخلفية، بصمة صوتية مميزة مقارنة بالفرقعة الهادئة لمرشح المادة المظلمة. ومن خلال الجمع بين البيانات المرئية من الكاميرات وبيانات الصوت من الميكروفونات، يمكن للفريق التمييز بين الإشارة الحقيقية والإنذار الخاطئ.

اختبر الباحثون الكاشف عبر جولتين رئيسيتين. أولاً، أجروا اختبار معايرة باستخدام مصدر نيوتروني لمحاكاة نوع الاصطدامات التي يأملون في العثور عليها. لاحقاً، أجروا فترة تشغيل تجريبية طويلة دون مصدر خارجي، منتظرين فقط لرؤية ما سيحدث طبيعياً. خلال هذه الاختبارات، عمل الكاشف باستقرار، ونجح في التمييز بين الفقاعات الفردية في السائل والأحداث غير المرغوب فيها مثل تكون الفقاعات على جدران الوعاء أو تكون فقاعات متعددة في آن واحد. وجد الفريق أن التصميم الجديد قد قلل بفعالية من الضوضاء الخلفية التي كانت تعاني منها الإصدارات السابقة. وحسبوا أن الكاشف يجب أن يرى عدداً قلي جداً من الإشارات الخاطئة من النشاط الإشعاعي الطبيعي أو الأشعة الكونية، مع توقع أن يأتي المصدر الرئيسي المتبقي للضوضاء من تفاعل نادر يتعلق بالنيوترينوهات، وهي جسيمات دون ذرية يكاد يكون من المستحيل حجبها.

وعلى الرغم من أن الكاشف لم يجد بعد جسيم مادة مظلمة، إلا أن الورقة البحثية تؤكد أن التصميم الجديد يعمل كما هو مخطط له. لقد أثبت (PICO-40L) بنجاح أن هندسة "الجانب الصحيح للأعلى" يمكن أن تعمل بموثوقية، حيث تحافظ على السائل المستهدف في حالة فوق تسخين في المركز بينما تبقي السباكة باردة وهادئة. هذا النجاح يمهد الطريق للجيل التالي من التجربة، وهو كاشف أكبر بكثير يسمى (PICO-500)، والذي هو قيد الإنشاء حالياً. ومن خلال إثبات أن هذا التصميم الجديد يمكنه التعامل مع الحساسية الشديدة المطلوبة لصيد المادة المظلمة، يكون تعاون بيكو قد اجتاز عقبة رئيسية في البحث عن المادة غير المرئية التي تشكل معظم المادة في كوننا.