تهدف الكابلات الصامتة إلى الكشف عن الأحداث الجسدية النادرة

تخيل أنك تحاول ضبط الراديو على محطة واحدة، ولكنك تواجه بدلاً من ذلك ضوضاء ثابتة وإشارات متداخلة من أجهزتك الخاصة. وهذا هو التحدي الذي يواجه الفرق البحثية التي تبحث عن أدلة على أحداث نادرة للغاية يمكن أن تساعد في فهم أصل وطبيعة المادة في الكون. اتضح أنه عندما تحاول التقاط بعض من أضعف الإشارات في الكون، فإن ذلك يساعد في جعل أدواتك هادئة للغاية.

في جميع أنحاء العالم، يستمع أكثر من عشرة فرق إلى أصوات البوب ​​والأصوات الإلكترونية، مما قد يعني أنهم اختاروا القناة الصحيحة أخيرًا. لقد بذل هؤلاء العلماء والمهندسون جهودًا غير عادية لحماية تجاربهم من الإشارات الكاذبة الناتجة عن الإشعاع الكوني.

تتم معظم هذه التجارب في أماكن يصعب الوصول إليها، مثل كيلومتر تحت الأرض في منجم للنيكل في سدبوري، أونتاريو، كندا، أو في منجم ذهب مهجور في الرصاص، داكوتا الجنوبية، وذلك لحمايتها من العناصر المشعة بشكل طبيعي الموجودة على سطح الأرض. أرض. ومع ذلك، فإن أحد مصادر الإشارات الكاذبة يأتي من النشاط الإشعاعي الطبيعي للمكونات الإلكترونية المصممة لتسجيل الإشارات المحتملة.

يمكن للملوثات المشعة، حتى بتركيزات صغيرة تصل إلى جزء واحد في المليار، أن تحاكي الإشارات المراوغة التي يبحث عنها العلماء. والآن، قام فريق بحث من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة، بالتعاون مع شركة Q-Flex، وهي شريك تجاري صغير في كاليفورنيا، بإنتاج كابلات إلكترونية فائقة النقاء.

تم تصميم هذه الكابلات وتصنيعها خصيصًا بحيث تحتوي على مستويات منخفضة للغاية من الملوثات المشعة بحيث لا تتداخل مع تجارب النيوترينو والمادة المظلمة شديدة الحساسية.

العلماء تقرير في الصحيفة تقنيات وأجهزة EPJ أن الكابلات لها تطبيقات ليس فقط في تجارب الفيزياء، ولكن يمكن أن تكون مفيدة أيضًا في تقليل تأثير الإشعاع المؤين الذي يتداخل مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.

وقال ريتشارد سالدانها، الباحث الرئيسي في PNNL: “لقد طورنا تقنية لإنتاج أسلاك إلكترونية أصغر بمئة مرة من الخيارات المتاحة تجاريًا حاليًا”. “إن نهج التصنيع هذا وهذا المنتج لهما تطبيق واسع النطاق في أي منطقة حساسة لوجود مستويات منخفضة جدًا من الملوثات المشعة.”

رقصة باليه فائقة الصمت

توجد كميات صغيرة من العناصر المشعة التي تحدث بشكل طبيعي في كل مكان: في الصخور والأوساخ والغبار العائم في الهواء. إن كمية الإشعاع التي تنبعث منها صغيرة جدًا لدرجة أنها لا تشكل أي خطر على الصحة، لكنها لا تزال كافية لإثارة مشاكل للجيل القادم من أجهزة كشف النيوترينو والمادة المظلمة.

وقال إسحاق أرنكويست، الكيميائي في PNNL، والمؤلف المشارك في الدراسة: “نحتاج عمومًا إلى أن نصبح أنظف بمليون، إن لم يكن مليار مرة، من مستويات التلوث التي قد تجدها في مجرد بقعة صغيرة من الأوساخ أو الغبار”. قائد فريق القياس. .

في هذه التجارب، قام سالدانها وأرنكويست وزملاؤهم ماريا لورا دي فاكري ونيكول روكو وتايلر شليدر بتقييم كمية اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم في كل خطوة من خطوات المعالجة الاثنتي عشرة التي تنتج في النهاية كابل كاشف. ثم قام الفريق بتطوير تقنيات تنظيف وتصنيع خاصة لتقليل التلوث إلى مستويات ضئيلة. من خلال العمل في مختبر فائق النظافة وخالي من الغبار والملوثات، يخطط الباحثون بدقة لكل تحركاتهم.

قال أرنكويست: “أعتبرنا تقريبًا رياضيين أداء لأن كل شيء، وكل حركة نقوم بها، مدروسة للغاية. يبدو الأمر كما لو أننا راقصون مصممون”. “عندما نتعامل مع عينة من مادة الكاشف، لا توجد حركة أو تفاعل غريب غير ضروري مع العينة، لأن هذا التفاعل قد يؤدي إلى بعض التلوث الذي يحد من كيفية قياس المواد.”

وبعد عدة سنوات من العمل ومئات القياسات، أصبحت الكابلات الناتجة الآن خالية تمامًا من الملوثات لدرجة أنها لن تؤثر على تشغيل تجارب الجيل التالي من المادة المظلمة والنيوترينو، مثل داميك-M, أوسكوراو نيكسو. ويشير فريق البحث في دراستهم إلى أن الكابلات ذات النشاط الإشعاعي المنخفض يمكن أن تزيد من حساسية التجارب وتسمح بمزيد من المرونة في تصميم الكاشف.

الاقتراب من لحظة “آها”.

إذن ما الذي يبحث عنه الباحثون بالضبط في هذه التجارب؟ وفي حالة المادة المظلمة واضمحلال بيتا المزدوج الخالي من النيوترينات، يأملون في تسجيل أحداث نادرة للغاية يمكن أن تحل لغزين رئيسيين في الكون. يطرح هذان اللغزان أسئلة أساسية حول سبب ظهور الكون بهذه الطريقة.

إن المجرات التي تملأ كوننا لم تكن لتتشكل لولا وجود المادة المظلمة. تشكل المادة المظلمة حوالي 85% من المادة في الكون، ومع ذلك لم نلاحظ أبدًا المادة المظلمة بشكل مباشر، بل فقط تأثير جاذبيتها على الكون. ولعل الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن السؤال عن سبب وجود مادة في الكون قد يعتمد على خاصية فريدة لأصغر جسيمات المادة المعروفة: النيوترينو.

على عكس جميع الجسيمات الأساسية الأخرى، يمكن للنيوترينوات أن تتفاعل كمادة والمادة المضادة. إذا كان هذا صحيحا، فإنه يمكن أن يؤدي إلى اضمحلال نووي نادر للغاية يسمى اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو. يقوم العلماء ببناء تجارب كبيرة تتضمن عدة أطنان من المواد الحساسة على أمل العثور على أول دليل على اضمحلال بيتا المزدوج الخالي من النيوترينوات خلال العقد المقبل.

وقال سالدانها: “كل خطوة نتخذها للقضاء على النشاط الإشعاعي المتداخل تقربنا من اكتشاف أدلة على وجود المادة المظلمة أو اضمحلال بيتا المزدوج الخالي من النيوترينات”.

وأضاف أرنكويست: “تحتوي هذه الكابلات المرنة على العديد من المسارات الموصلة، وهي ضرورية لقراءة الإشارات المعقدة”. “على سبيل المثال، عندما تتفاعل المادة المظلمة مع الكاشف أو يحدث اضمحلال بيتا المزدوج دون النيوترينوات، فإن هذا سيخلق حدثًا يجب تسجيله بدقة – قراءته – لتحقيق الاكتشاف. نحن بحاجة إلى وضع جزء إلكتروني معقد للغاية تنظيف العناصر المشعة الموجودة في قلب الكاشف.

قال ديفيد مور، عالم الفيزياء في جامعة ييل والمتعاون مع PNNL: “إن أبحاث الجيل التالي حول اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينوات ستكون من بين أقل تجارب النشاط الإشعاعي التي تم إجراؤها على الإطلاق”.

“تستخدم هذه الكاشفات مواد نقية لدرجة أنه حتى كمية صغيرة من مواد الأسلاك العادية من شأنها أن تطغى على النشاط الإشعاعي لكل شيء آخر في الكاشف. وبالتالي فإن تطوير كابلات خلفية منخفضة للغاية لقراءة مثل هذه الكاشفات يشكل تحديًا كبيرًا. هذا العمل الأخير من PNNL وQ- يعد Flex ضروريًا لتمكين هذه الكاشفات وسيقلل من الأسلاك الأساسية إلى جزء صغير مما كان ممكنًا مع التقنيات السابقة.”

ويجري التخطيط بالفعل لترقية تجربة المادة المظلمة DAMIC-M شديدة الحساسية، وتعد الكابلات الجديدة فائقة النقاء أحد التحسينات الرئيسية المخطط تركيبها في الكاشف.

وقال ألفارو إي شافاريا، عالم الفيزياء في جامعة واشنطن والمتعاون في مشروع DAMIC-M: “أحد العناصر التي لا يمكننا تجنبها في كاشفنا هو الكابلات التي تنقل الإشارات، والتي يجب أن تكون ذات نشاط إشعاعي منخفض للغاية”. .

“قبل هذا التطوير الأخير لـ PNNL، كان الحل الأفضل هو الكابلات المحورية الدقيقة، التي تحمل إشارة قليلة جدًا وكانت ستتطلب إعادة تصميم كبيرة للكاشف الخاص بنا. هذا التطوير مثير للغاية، لأنه يسمح باستخدام الدوائر المرنة القياسية للـ PNNL تكنولوجيا الصناعة لتطبيقات الخلفية المنخفضة.

تشير نتائج الأبحاث الحديثة التي أجراها علماء PNNL والمتعاونون الآخرون إلى أن أداء بعض أجهزة الحوسبة الكمومية قد يتأثر بوجود كميات ضئيلة من الملوثات المشعة. على الرغم من أن النشاط الإشعاعي لا يحد حاليًا من قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية الموجودة، فمن المحتمل أن تحتاج الأجهزة الكمومية في المستقبل إلى كابلات ذات نشاط إشعاعي منخفض لتحسين أدائها.

وقال سالدانها: “نرى إمكانية العثور على تطبيقات لهذه الكابلات في مجموعة واسعة من أجهزة الكشف عن الإشعاع الحساسة وربما تطبيقات أخرى مثل الحوسبة الكمومية”.