زينون

مشروع زينون لأبحاث المادة المظلمة ، الذي يُدار في مختبر غران ساسو الوطني الإيطالي ، هو منشأة كاشفة تحت الأرض تضم تجارب طموحة متزايدة تهدف إلى رصد جسيمات المادة المظلمة المفترضة . تسعى هذه التجارب إلى رصد الجسيمات على شكل جسيمات ضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) من خلال البحث عن تفاعلات ارتداد نووي نادرة في حجرة هدف من الزينون السائل . يتكون الكاشف الحالي من حجرة إسقاط زمني ثنائية الطور (TPC).

يكشف هذا الاختبار عن إشارات التلألؤ والتأين الناتجة عن تفاعل الجسيمات الخارجية في حيز الزينون السائل، وذلك للبحث عن فائض من أحداث الارتداد النووي مقارنةً بالخلفيات المعروفة. وسيوفر رصد هذه الإشارة أول دليل تجريبي مباشر على وجود جسيمات مرشحة للمادة المظلمة. ويقود هذا التعاون حاليًا أستاذة الفيزياء الإيطالية إيلينا أبريل من جامعة كولومبيا .

تعتمد تجربة زينون على غرفة إسقاط زمني ثنائية الطور ، تستخدم هدفًا من الزينون السائل يعلوه طور غازي. يكشف صفان من أنابيب التضخيم الضوئي ، أحدهما في أعلى الكاشف في الطور الغازي (GXe)، والآخر في أسفل الطبقة السائلة (LXe)، عن ضوء التلألؤ والتألق الكهربائي الناتج عن تفاعل الجسيمات المشحونة داخل الكاشف. تُطبَّق مجالات كهربائية على كلٍّ من الطورين السائل والغازي للكاشف. يجب أن يكون المجال الكهربائي في الطور الغازي قويًا بما يكفي لاستخلاص الإلكترونات من الطور السائل.

تُنتج تفاعلات الجسيمات في الهدف السائل وميضًا وتأينًا . يُنتج ضوء الوميض الفوري فوتونات فوق بنفسجية بطول موجي 178 نانومتر. يتم الكشف عن هذه الإشارة بواسطة الأنابيب الضوئية المضاعفة ،  ويُشار إليها بإشارة S1. يمنع المجال الكهربائي المُطبق إعادة اتحاد جميع الإلكترونات الناتجة عن تفاعل الجسيمات المشحونة في غرفة الإسقاط الزمني. ينجرف هذا المجال الكهربائي الإلكترونات إلى أعلى الطور السائل. ثم يُستخلص التأين إلى الطور الغازي بواسطة المجال الكهربائي الأقوى في الطور الغازي. يُسرّع المجال الكهربائي الإلكترونات إلى الحد الذي يُنتج إشارة وميض متناسبة يتم جمعها أيضًا بواسطة الأنابيب الضوئية المضاعفة، ويُشار إليها بإشارة S2. أثبتت هذه التقنية حساسية كافية للكشف عن إشارات S2 الناتجة عن إلكترونات منفردة. ^{[ 1 ]}

يُتيح الكاشف تحديدًا ثلاثي الأبعاد كاملًا لموقع تفاعل الجسيمات ^{[ 2 ]} . تتحرك الإلكترونات في الزينون السائل بسرعة انجراف منتظمة، مما يسمح بتحديد عمق التفاعل عن طريق قياس التأخير الزمني بين إشارتي S1 وS2. ويمكن تحديد موقع الحدث في المستوى xy من خلال النظر إلى عدد الفوتونات التي رصدها كل أنبوب مضاعف ضوئي (PMT) على حدة. يُتيح تحديد الموقع ثلاثي الأبعاد الكامل تحديد منطقة مرجعية للكاشف، حيث تُحدد منطقة ذات خلفية منخفضة في الحجم الداخلي لغرفة الإسقاط الزمني (TPC). تتميز هذه المنطقة المرجعية بانخفاض كبير في معدل أحداث الخلفية مقارنةً بمناطق الكاشف على حافة غرفة الإسقاط الزمني، وذلك بفضل خصائص الحماية الذاتية للزينون السائل. وهذا يُتيح حساسية أعلى بكثير عند البحث عن أحداث نادرة جدًا.

من المتوقع أن تتفاعل الجسيمات المشحونة التي تمر عبر الكاشف إما مع إلكترونات ذرات الزينون مُنتجةً ارتدادات إلكترونية، أو مع النواة مُنتجةً ارتدادات نووية. بالنسبة لكمية معينة من الطاقة المُودعة نتيجة تفاعل الجسيم في الكاشف، يمكن استخدام نسبة S2/S1 كمعامل تمييز لفصل أحداث الارتداد الإلكتروني عن أحداث الارتداد النووي. ^{[ 3 ]} من المتوقع أن تكون هذه النسبة أكبر في حالة الارتداد الإلكتروني مقارنةً بالارتداد النووي. وبهذه الطريقة، يمكن كبح التشويش الناتج عن الارتداد الإلكتروني بنسبة تزيد عن 99%، مع الحفاظ في الوقت نفسه على 50% من أحداث الارتداد النووي.

تم تركيب تجربة XENON10 في مختبر غران ساسو تحت الأرض في إيطاليا خلال شهر مارس 2006. يوفر موقع المختبر تحت الأرض  حماية مكافئة للماء بسماكة 3100 متر. وُضع الكاشف داخل درع لتقليل معدل الخلفية في غرفة الإسقاط الزمني (TPC). صُممت XENON10 ككاشف أولي لإثبات فعالية تصميم XENON، بالإضافة إلى التحقق من العتبة الممكنة، وقدرة رفض الخلفية، والحساسية. احتوى كاشف XENON10 على 15  كيلوغرامًا من الزينون السائل. يبلغ قطر الحجم الحساس لغرفة الإسقاط الزمني 20 سم وارتفاعه  15 سم. ^{[ 4 ]} 

لم يُسفر تحليل بيانات 59 يومًا من التجارب الحية، التي جُمعت بين أكتوبر 2006 وفبراير 2007، عن أي مؤشرات لجسيمات WIMP. يتوافق عدد الأحداث المرصودة في منطقة البحث عن جسيمات WIMP إحصائيًا مع العدد المتوقع للأحداث الناتجة عن ارتداد الإلكترونات. استبعدت هذه النتيجة بعضًا من نطاق المعلمات المتاح في نماذج التناظر الفائق الدنيا ، وذلك بوضع حدود على المقاطع العرضية لتفاعل جسيمات WIMP مع النيوكليونات، المستقلة عن اللف المغزلي، وصولًا إلى ما دون الصفر.10 × 10 ⁻⁴³  سم ² لـ كتلة جسيم WIMP تبلغ 30 جيجا إلكترون فولت/ c ^{2. [ 5 ]}

نظراً لأن ما يقرب من نصف ذرات الزينون الطبيعية تمتلك حالات دوران فردي ( يبلغ وفرة الزينون ^-129 نسبة 26% ودورانه 1/2؛ بينما يبلغ وفرة الزينون ^-131 نسبة 21% ودورانه 3/2)، يمكن استخدام كواشف زينون أيضاً لتحديد حدود المقاطع العرضية المعتمدة على الدوران لجسيمات المادة المظلمة المتفاعلة ضعيفة التفاعل مع النيوكليونات، وذلك لربط جسيم المادة المظلمة المرشح بالنيوترونات والبروتونات. وقد وضع مشروع زينون 10 القيود الأكثر صرامة في العالم على اقتران النيوترونات الخالص. ^{[ 6 ]}

يحتوي كاشف المرحلة الثانية، XENON100، على 165  كجم من الزينون السائل، منها 62  كجم في منطقة الهدف، والباقي في منطقة الحجب النشطة. يبلغ قطر غرفة الإسقاط الزمني (TPC) للكاشف 30  سم، وارتفاعها 30  سم. ونظرًا لأن تفاعلات الجسيمات المتفاعلة ضعيفة الكتلة (WIMP) من المتوقع أن تكون أحداثًا نادرة للغاية، فقد أُطلقت حملة شاملة خلال مرحلتي بناء وتشغيل XENON100 لفحص جميع أجزاء الكاشف بحثًا عن النشاط الإشعاعي. أُجري الفحص باستخدام كواشف من الجرمانيوم عالي النقاء . وفي بعض الحالات، أُجري تحليل طيفي للكتلة على عينات بلاستيكية منخفضة الكتلة. وبذلك، تم تحقيق هدف التصميم المتمثل في أقل من 10⁻² ^حدث /كجم/يوم/كيلو إلكترون فولت ^{[ 7 ]} ، مما أدى إلى الحصول على أقل معدل خلفية إشعاعية للمادة المظلمة في العالم.

تم تركيب الكاشف في مختبر غران ساسو الوطني عام 2008 في نفس الدرع الواقي لكاشف زينون 10، وأجرى عدة تجارب علمية. في كل تجربة علمية، لم تُلاحظ أي إشارة للمادة المظلمة أعلى من مستوى الخلفية المتوقع، مما أدى إلى وضع الحد الأقصى الأكثر صرامة على المقطع العرضي لتفاعل جسيمات المادة المظلمة المتفاعلة مع النيوكليونات، والذي لا يعتمد على اللف المغزلي، في عام 2012، مع قيمة دنيا عند2.0 × 10 ⁻⁴⁵  سم ² لـ كتلة جسيم WIMP تبلغ 65 جيجا إلكترون ^فولت / ثانية² . ^{[ 8 ]} تُقيّد هذه النتائج تفسيرات الإشارات في التجارب الأخرى باعتبارها تفاعلات المادة المظلمة، وتستبعد النماذج الغريبة مثل المادة المظلمة غير المرنة، والتي من شأنها حل هذا التناقض. ^{[ 9 ]} كما قدّمت تجربة XENON100 حدودًا محسّنة للمقطع العرضي لتفاعل جسيم WIMP مع النيوكليون، والذي يعتمد على اللف المغزلي. ^{[ 10 ]} نُشرت نتيجة خاصة بالأكسيون في عام 2014، ^{[ 11 ]} حيث حدّدت حدًا جديدًا لأفضل قيمة للأكسيون.

أجرى جهاز XENON100 آنذاك أقل تجربة خلفية، للبحث عن المادة المظلمة، بخلفية قدرها 50 ملي وحدة DRU (1 ملي وحدة DRU = 10⁻³ ^حدث /كجم/يوم/كيلو إلكترون فولت). ^{[ 12 ]}

بدأ بناء المرحلة التالية، XENON1T، في القاعة B بمختبر غران ساسو الوطني عام 2014. يحتوي الكاشف على 3.2 طن من الزينون السائل فائق النقاء الإشعاعي، ويبلغ حجمه المرجعي حوالي طنين. يُوضع الكاشف داخل  خزان مياه سعته 10 أمتار مكعبة يعمل كحاجز للميونات. يبلغ  قطر غرفة الإسقاط الزمني (TPC) مترًا واحدًا  وارتفاعها مترًا واحدًا.

يتألف فريق مشروع الكاشف، المسمى تعاون زينون، من 135 باحثًا من 22 مؤسسة من أوروبا والشرق الأوسط والولايات المتحدة. ^{[ 13 ]}

أصدر فريق تعاون XENON النتائج الأولية لتجربة XENON1T في 18 مايو 2017، استنادًا إلى 34 يومًا من جمع البيانات بين نوفمبر 2016 ويناير 2017. ورغم عدم رصد أي إشارات رسمية لجسيمات WIMPs أو إشارات مرشحة للمادة المظلمة، فقد أعلن الفريق عن انخفاض قياسي في مستويات النشاط الإشعاعي الخلفي التي رصدتها XENON1T. وتجاوزت حدود الاستبعاد أفضل الحدود السابقة التي حددتها تجربة LUX ، مع استبعاد مقاطع عرضية أكبر من7.7 × 10 ⁻⁴⁷  سم ² لكتل ​​الجسيمات المتفاعلة ضعيفة الكتلة (WIMP) من35 جيجا  إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة . ^{[ 14 ] [ 15 ]} نظرًا لأن بعض الإشارات التي يستقبلها الكاشف قد تكون ناتجة عن النيوترونات، فإن تقليل النشاط الإشعاعي يزيد من الحساسية للجسيمات المتفاعلة ضعيفة الكتلة . ^{[ 16 ]}

في سبتمبر 2018، نشرت تجربة XENON1T نتائجها المستخلصة من 278.8 يومًا من البيانات التي جُمعت. وقد سُجّل رقم قياسي جديد للتفاعلات المرنة غير المعتمدة على اللف المغزلي بين جسيمات WIMP والنيوكليونات، بحد أدنى قدره4.1 × 10 ⁻⁴⁷  سم ² عند كتلة WIMP تبلغ30  جيجا إلكترون فولت/ ج ² . ^{[ 17 ]}

في أبريل 2019، وبناءً على قياسات أُجريت باستخدام كاشف XENON1T، نشر فريق XENON Collaboration في مجلة Nature أول رصد مباشر لعملية التقاط إلكتروني مزدوج بواسطة نيوترينوين في نوى الزينون-124. ^{[ 18 ]} يُظهر عمر النصف المقاس لهذه العملية، والذي يفوق عمر الكون بعدة مراتب، قدرات الكواشف القائمة على الزينون في البحث عن الأحداث النادرة، ويُبرز النطاق الفيزيائي الواسع لتجارب الجيل القادم الأكبر حجمًا. يُمثل هذا القياس خطوة أولى في البحث عن عملية التقاط الإلكترون المزدوج بدون نيوترينو ، والتي سيُتيح رصدها فهمًا أعمق لطبيعة النيوترينو، ويُمكّن من تحديد كتلته المطلقة.

اعتبارًا من عام 2019، توقف مشروع XENON1T عن جمع البيانات لإتاحة المجال لبناء المرحلة التالية، XENONnT. ^{[ 19 ]} عمل كاشف XENON1T في الفترة من 2016 إلى 2018، وانتهت عمليات الكاشف في نهاية عام 2018. ^{[ 20 ]}

في يونيو 2020، أبلغ فريق XENON1T عن فائض في ارتدادات الإلكترونات: 285 حدثًا، أي بزيادة 53 حدثًا عن العدد المتوقع البالغ 232 ^{[ 21 ] [ 22 ]} ، بدلالة إحصائية قدرها 3.5σ. ^{[ 23 ]} طُرحت ثلاثة تفسيرات: وجود جسيمات أكسيون شمسية افتراضية حتى الآن ، وعزم مغناطيسي كبير بشكل مفاجئ للنيوترينوات، وتلوث الكاشف بالتريتيوم. وقدّمت مجموعات بحثية أخرى تفسيرات متعددة لاحقًا ^{[ 24 ]} ، وفي عام 2021، نُوقش تفسير النتائج ليس على أنها جسيمات المادة المظلمة، بل على أنها جسيمات طاقة مظلمة مرشحة تُسمى الحرباءات . ^{[ 25 ] [ 26 ]} في يوليو 2022، استبعد تحليل جديد أجراه فريق XENONnT هذا الفائض. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

يُعدّ مشروع XENONnT تطويرًا لتجربة XENON1T الموجودة تحت الأرض في مختبر LNGS. ستحتوي أنظمته على كتلة إجمالية من الزينون تزيد عن 8 أطنان. بالإضافة إلى هدف زينون أكبر في حجرة إسقاط الزمن، ستتضمن التجربة المطورة مكونات جديدة لتقليل الإشعاع الذي يُشكّل عادةً خلفيةً لقياساتها، أو تحديده. صُممت التجربة للوصول إلى حساسية (في جزء صغير من نطاق الكتلة المدروس) حيث تُصبح النيوترينوات خلفيةً ذات أهمية. في عام 2019، كان التطوير جاريًا، وكان من المتوقع بدء التشغيل في عام 2020. ^{[ 19 ] [ 29 ]}

كان كاشف زينوننت قيد الإنشاء في مارس 2020. ورغم التحديات التي فرضتها جائحة كوفيد-19، تمكن المشروع من إتمام أعمال الإنشاء والانتقال إلى مرحلة التشغيل التجريبي بحلول منتصف عام 2020. وبدأ تشغيل الكاشف بكامل طاقته في أواخر عام 2020. ^{[ 20 ] [ 30 ]} وفي سبتمبر 2021، بدأ زينوننت بجمع البيانات العلمية لأول تجربة علمية له، والتي كانت جارية آنذاك. ^{[ 31 ]}

في 28 يوليو 2023، نشر مشروع XENONnT النتائج الأولى لبحثه عن جسيمات WIMP، ^{[ 32 ]} باستثناء المقاطع العرضية التي تزيد عن${\displaystyle 2.58\times 10^{-47}cm^{2}}$عند طاقة 28 جيجا إلكترون فولت بمستوى ثقة 90%، ^{[ 33 ]} وفي نفس التاريخ نشرت تجربة LZ نتائجها الأولى أيضًا باستثناء المقاطع العرضية الأعلى${\displaystyle 9.2\times 10^{-48}cm^{2}}$عند 36 جيجا إلكترون فولت بمستوى ثقة 90%. ^{[ 34 ]}

• أنجل، ج. وآخرون  (2008). "النتائج الأولية من تجربة المادة المظلمة XENON10 في مختبر غران ساسو الوطني". رسائل المراجعة الفيزيائية . 100 (2) 021303. arXiv : 0706.0039 . Bibcode : 2008PhRvL.100b1303A . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.021303 . PMID 18232850. S2CID 2249288 .  

• تجربة الزينون
• الصفحة الرئيسية لبرنامج زينون في جامعة شيكاغو
• الصفحة الرئيسية لبرنامج زينون في جامعة كولومبيا
• الصفحة الرئيسية لبرنامج زينون في جامعة زيورخ
• الصفحة الرئيسية لبرنامج زينون في جامعة رايس. مؤرشفة بتاريخ 2 ديسمبر 2021 على موقع Wayback Machine.
• الصفحة الرئيسية لبرنامج زينون في جامعة براون، مؤرشفة بتاريخ ٢٧ ديسمبر ٢٠٠٩ على موقع Wayback Machine.
• كاتسوهي أريساكا، زينون في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس
• مخطط حد المادة المظلمة ( مؤرشف بتاريخ 9 نوفمبر 2006 في أرشيف الإنترنت ) مع أحدث نتائج تجارب زينون وغيرها.
• إنارة الظلام، سيرن كورير، ٢٧ سبتمبر ٢٠١٣، مؤرشف في ٤ يناير ٢٠١٤، على موقع Wayback Machine

42°25′14″ شمالاً 13°30′59″ شرقاً / 42.42056° شمالاً 13.51639° شرقاً / 42.42056; 13.51639