غرفة إسقاط الزمن

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
نظام مراقبة العمليات (TPC) لتجربة ALICE في CERN

في الفيزياء ، تعتبر غرفة الإسقاط الزمني ( TPC ) نوعًا من كاشفات الجسيمات التي تستخدم مزيجًا من المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية جنبًا إلى جنب مع حجم حساس من الغاز أو السائل لإجراء إعادة بناء ثلاثية الأبعاد لمسار الجسيم أو تفاعله.

التصميم الأصلي

تم اقتراح TPC الأصلي في عام 1974 من قبل ديفيد ر. نيغرين ، وهو فيزيائي أمريكي، [ 1 ] وتم تطويره في مختبر لورانس بيركلي في أواخر السبعينيات. [ 2 ] وكان أول تطبيق رئيسي له في كاشف PEP-4، [ 3 ] الذي درس تصادمات الإلكترون-بوزيترون عند 29 جيجا إلكترون فولت في حلقة تخزين PEP في SLAC .

تتكون غرفة الإسقاط الزمني من حيز كشف مملوء بالغاز في مجال كهربائي، مزود بنظام تجميع إلكتروني حساس للموقع. التصميم الأصلي (والأكثر شيوعًا) عبارة عن غرفة أسطوانية مزودة بغرف تناسبية متعددة الأسلاك (MWPC) كألواح طرفية. تُقسم الغرفة إلى نصفين على طولها بواسطة قرص قطب كهربائي مركزي عالي الجهد ، يُنشئ مجالًا كهربائيًا بين المركز والألواح الطرفية. علاوة على ذلك، يُطبق غالبًا مجال مغناطيسي على طول الأسطوانة، موازيًا للمجال الكهربائي، لتقليل انتشار الإلكترونات الناتجة عن تأين الغاز. عند مرور الجسيم عبر غاز الكاشف، يُحدث تأينًا أوليًا على طول مساره. يُحدد الإحداثي z (على طول محور الأسطوانة) بقياس زمن الانجراف من لحظة التأين إلى الغرفة التناسبية متعددة الأسلاك في النهاية. ويتم ذلك باستخدام التقنية المعتادة لغرفة الانجراف . يتم ترتيب أسلاك الأنود في نهاية MWPC في الاتجاه السمتي ، θ ، مما يوفر معلومات عن الإحداثي القطري، r . وللحصول على الاتجاه السمتي، يتم تقسيم كل مستوى كاثود إلى شرائح على طول الاتجاه القطري.

في السنوات الأخيرة، ازداد استخدام وسائل أخرى لتضخيم الإلكترونات وكشفها الحساسة للموقع، لا سيما مع تزايد استخدام غرف الإسقاط الزمني في الفيزياء النووية . تجمع هذه الوسائل عادةً بين صفيحة أنود مجزأة وشبكة فريش [ 4 ] أو عنصر مضاعف إلكتروني نشط مثل مضاعف الإلكترونات الغازي [ 5 ] . كما تختلف غرف الإسقاط الزمني الحديثة هذه عن الشكل الهندسي التقليدي للأسطوانة ذات المجال المحوري، لصالح شكل هندسي مسطح [ 4 ] أو أسطوانة ذات مجال شعاعي [ 5 ] .

كما استخدم الباحثون السابقون في فيزياء الجسيمات عادةً هندسة صندوقية الشكل أكثر تبسيطًا مرتبة مباشرة فوق أو تحت خط الحزمة، كما هو الحال في تجارب CERN NA49 و NA35 .

غرفة إسقاط الوقت باستخدام الأرجون السائل (LArTPC)

في عام 1974، أثبت ويليام ج. ويليس وفيليكو راديكا [ 6 ] إمكانية إجراء قياس السعرات الحرارية بالامتصاص الكلي في كواشف الأرجون السائل دون التضخيم الذي يحدث عادةً في كاشف التأين الغازي . وقد مكّنت هذه التقنية المهمة من إنشاء غرفة إسقاط زمني تعتمد على تصميم نيغرين الأصلي، ولكن باستخدام الأرجون السائل كوسيط حساس بدلاً من الغاز.

في عام 1976، اقترح هربرت هـ. تشين ، بالتعاون مع باحثين من جامعة كاليفورنيا في إرفاين ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، أحد أوائل استخدامات الأرجون السائل في غرفة إسقاط زمني (LArTPC). [ 7 ] [ 8 ] كانت أهداف تشين الأولية من هذا الكاشف دراسة تشتت النيوترينو مع الإلكترون، لكن الأهداف تطورت لاحقًا لقياس النيوترينوات الشمسية أو الكونية أو اضمحلال البروتون. [ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]

في عام 1977، اقترح كارلو روبيا بشكل مستقل، وفي وقت متزامن تقريبًا، بناء جهاز LArTPC في CERN لإجراء تجارب فيزياء الجسيمات للأحداث النادرة. [ 11 ] [ 9 ]

تصميم وخصائص الكاشف

يُعدّ الأرجون السائل وسطًا حساسًا ذا مزايا عديدة. [ 11 ] [ 12 ] فكونه عنصرًا نبيلًا، وبالتالي يتمتع بكهرسلبية معدومة ، يعني أن الإلكترونات الناتجة عن الإشعاع المؤين لن تُمتص أثناء انجرافها نحو كاشف القراءة. كما يتلألأ الأرجون عند مرور جسيم مشحون عالي الطاقة، مُطلقًا عددًا من فوتونات التلألؤ يتناسب مع الطاقة التي يُودعها الجسيم المار في الأرجون. [ 12 ] فضلًا عن ذلك، يُعدّ الأرجون السائل رخيصًا نسبيًا، مما يجعل المشاريع واسعة النطاق مجدية اقتصاديًا. مع ذلك، فإن أحد الدوافع الرئيسية لاستخدام الأرجون السائل كوسط حساس هو كثافته. [ 11 ] إذ تبلغ كثافة الأرجون السائل حوالي ألف ضعف كثافة الغاز المستخدم في تصميم غرفة الإسقاط الزمني (TPC) الخاص بنيغرين، مما يزيد من احتمالية تفاعل الجسيم في الكاشف بمقدار ألف ضعف تقريبًا. وتُعدّ هذه الخاصية مفيدة بشكل خاص في فيزياء النيوترينو ، حيث تكون مقاطع التفاعل بين النيوترينو والنيوكليون صغيرة.

رسم تخطيطي لتصميم LArTPC ومبادئ التشغيل الأساسية

يتكون جسم كاشف LArTPC النموذجي من ثلاثة أجزاء. يوجد على أحد جانبي الكاشف مستوى كاثود عالي الجهد ، يُستخدم لتوليد مجال كهربائي انجرافي عبر الكاشف. على الرغم من أن الجهد الكهربائي الدقيق الذي يُضبط عليه هذا المستوى يعتمد على هندسة الكاشف، إلا أن هذا الكاثود عالي الجهد يُنتج عادةً مجال انجرافي بقوة 500  فولت/سم عبر الكاشف. [ 12 ]

على الجانب المقابل لمستوى الكاثود، توجد مجموعة من مستويات أسلاك الأنود مضبوطة على جهود أعلى بكثير (أقل سلبية) من جهد الكاثود. يفصل كل مستوى عن جيرانه فجوة صغيرة، عادةً في حدود 1  سم. يتكون المستوى من العديد من الأسلاك الموصلة المتوازية المتباعدة ببضعة ملليمترات، وتختلف زاوية توجيه الأسلاك بالنسبة للعمودي من مستوى لآخر. تستقبل هذه المستويات معًا إشارات من الإلكترونات المنجرفة . بالنسبة لكاشف يحتوي على N مستوى من أسلاك الأنود، تُسمى المستويات الداخلية N − 1 بمستويات الحث. تُضبط هذه المستويات على جهود أقل (أكثر سلبية) من المستوى الخارجي، مما يسمح للإلكترونات المنجرفة بالمرور عبرها، مُحدثةً إشارات تُستخدم لإعادة بناء الحدث. يُسمى المستوى الخارجي بمستوى التجميع لأن الإلكترونات المنجرفة تُجمع على هذه الأسلاك، مُنتجةً إشارات إضافية. يسمح وجود مستويات متعددة ذات اتجاهات أسلاك مختلفة بإعادة بناء الحدث ثنائي الأبعاد، بينما يُستخلص البعد الثالث من أزمنة انجراف الإلكترونات.

الجزء الثالث عبارة عن قفص مجال كهربائي بين المهبط والمصعد. يحافظ هذا القفص على مجال كهربائي منتظم بين المهبط والمصعد، بحيث تنحرف مسارات الإلكترونات المنجرفة بأقل قدر ممكن عن أقصر مسار بين نقطة التأين ومستوى المصعد. يهدف هذا إلى منع تشوه مسار الجسيمات أثناء إعادة بناء الحدث.

غالبًا ما يُرفق نظام تجميع الضوء بجهاز LArTPC الأساسي كوسيلة لاستخلاص المزيد من المعلومات من الحدث باستخدام ضوء الوميض. [ 12 ] كما يمكن أن يلعب دورًا هامًا في التحفيز، لأنه يجمع ضوء الوميض بعد نانوثوانٍ فقط من مرور الجسيم عبر الكاشف. وهذا أقصر نسبيًا (بمقدار 1000 مرة) من الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات المتحررة للانجراف إلى مستويات السلك، لذا غالبًا ما يكون كافيًا تحديد وقت تجميع فوتونات الوميض كوقت تحفيز ( t0 ) للحدث. باستخدام وقت التحفيز هذا، يمكن إيجاد أوقات انجراف الإلكترونات، مما يُمكّن من إعادة بناء الحدث ثلاثي الأبعاد. في حين أن هذه الأنظمة ليست الوسيلة الوحيدة التي يمكن من خلالها لجهاز LArTPC تحديد وقت التحفيز، إلا أنها ضرورية لدراسة ظواهر مثل المستعرات العظمى واضمحلال البروتون ، حيث لا تُنتج الجسيمات التي تخضع للاضمحلال أو التفاعل في مُسرّع من صنع الإنسان، وبالتالي يكون توقيت حزمة الجسيمات غير معروف. [ 12 ] تُعد أنابيب المضاعف الضوئي ، وموجهات الضوء ، ومضاعفات السيليكون الضوئية أمثلة على الأدوات المستخدمة لجمع هذا الضوء. وعادةً ما يتم وضعها خارج حجم الانجراف مباشرةً.

قراءة الإشارة

في جهاز LArTPC النموذجي، يُمثل كل سلك في كل مستوى أنودي جزءًا من دائرة RC ، حيث يقع السلك نفسه بين المقاوم والمكثف . يُوصل الطرف الآخر للمقاوم بجهد انحياز، بينما يُوصل الطرف الآخر للمكثف بالإلكترونيات الأمامية. تقوم هذه الإلكترونيات بتضخيم التيار في الدائرة وتحويله إلى إشارة رقمية. هذا التيار المُضخم والمُحول، كدالة للزمن، هو "الإشارة" التي تُمرر إلى عملية إعادة بناء الحدث .

بالنسبة لسلك ذي مستوى أنود معين، تتخذ الإشارة الناتجة شكلاً محدداً يعتمد على ما إذا كان السلك يقع في مستوى حث أو مستوى تجميع. عندما يتحرك إلكترون منجرف نحو سلك في مستوى حث، فإنه يحث تياراً فيه، مما يُحدث "ارتفاعاً" في تيار الخرج. وعندما يبتعد الإلكترون عن السلك، فإنه يحث تياراً في الاتجاه المعاكس، مما يُحدث "ارتفاعاً" في تيار الخرج بإشارة معاكسة للأول. والنتيجة هي إشارة ثنائية القطب. [ 13 ] في المقابل، تكون الإشارات لسلك ذي مستوى تجميع أحادية القطب، لأن الإلكترونات لا تمر بجانب السلك بل "تُجمع" بواسطته. في كلا الحالتين، تشير سعة الإشارة الأكبر إلى أن عدداً أكبر من الإلكترونات المنجرفة إما مرّ بجانب السلك (في حالة مستويات الحث) أو جُمعت بواسطته (في حالة مستوى التجميع).

يمكن تنظيم قراءة الإشارة لجميع الأسلاك في مستوى الأنود المحدد في صورة ثنائية الأبعاد لتفاعل الجسيمات. هذه الصورة هي إسقاط لتفاعل الجسيمات ثلاثي الأبعاد على مستوى ثنائي الأبعاد يكون متجهه العمودي موازيًا للأسلاك في مستوى الأنود المحدد. تُدمج الإسقاطات ثنائية الأبعاد المقابلة لكل مستوى من مستويات الأنود لإعادة بناء التفاعل ثلاثي الأبعاد بالكامل.

TPC ثنائي الطور

طُوِّرت هذه التقنية لأول مرة للكشف عن الإشعاع باستخدام غاز الأرجون في أوائل سبعينيات القرن العشرين. [ 14 ] وقد كان برنامج زبلين رائدًا في استخدام تقنية الطورين للبحث عن جسيمات WIMP . وتمثل سلسلة كاشفات زينون ولوكس أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا في تطبيق هذه الأداة في الفيزياء.

غرفة إسقاط الزمن للمادة المظلمة

غرفة إسقاط الزمن للمادة المظلمة هي تجربة للكشف المباشر عن الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف (WIMPs)، وهي من أبرز المرشحين المحتملين للمادة المظلمة . تستخدم التجربة غرفة إسقاط زمني منخفضة الضغط لاستخلاص الاتجاه الأصلي لأحداث المادة المظلمة المحتملة. يضم الفريق فيزيائيين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وجامعة بوسطن (BU)، وجامعة برانديز ، وجامعة رويال هولواي بلندن . وقد تم بناء واختبار العديد من نماذج الكشف الأولية في مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة بوسطن. وقد جمع الفريق بياناته الأولى في مختبر تحت الأرض في موقع محطة عزل النفايات التجريبية (WIPP) بالقرب من كارلسباد، نيو مكسيكو، في خريف عام 2010.

نشرت غرفة إسقاط المادة المظلمة الزمنية النتائج الأولى من تشغيل سطحي في عام 2010، مما حدد حدًا للمقطع العرضي يعتمد على الدوران. [ 15 ]

ملحوظات

  1. ↑ ديفيد ر. نيغرين (1974). "مقترح لدراسة جدوى مفهوم جديد في الكشف عن الجسيمات" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 أكتوبر 2025 .
  2. ↑ «جائزة إرنست أورلاندو لورانس: الفائزون في ثمانينيات القرن العشرين» . وزارة الطاقة الأمريكية . مؤرشف من الأصل في 11 أغسطس 2011. تم الاطلاع عليه في 18 أغسطس 2007. ديفيد ر. نيغرين، 1985: الفيزياء: لتطويره التقنيات التجريبية في فيزياء الجسيمات ، وخاصة لاختراعه غرفة الإسقاط الزمني .
  3. ↑ ماركس، جاي ن.؛ نيغرين، ديفيد ر. (1 أكتوبر 1978). "غرفة إسقاط الزمن". فيزياء اليوم . 31 (10): 46-53 . doi : 10.1063/1.2994775 .
  4. 1 2 Demonchy et al. 2007.
  5. 1 2 فينكر وآخرون. 2008، ليرد وآخرون. 2007.
  6. ↑ ويليس، دبليو جيه؛ راديكا، في. (14 مايو 1974). "غرف تأين الأرجون السائل ككاشفات امتصاص كلي". الأدوات والأساليب النووية . 120 (2): 221-236 . Bibcode : 1974NucIM.120..221W . doi : 10.1016/0029-554X(74)90039-1 .
  7. 1 2 تشين، إتش إتش؛ كوندون، بي إي؛ باريش، بي سي؛ سيولي، إف جيه (مايو 1976). "كاشف نيوترينو حساس للعمليات النادرة. الجزء الأول: دراسة تفاعلات نيوترينو الإلكترون" (ملف PDF) . مختبر فيرمي الوطني للمسرعات . المقترح P-496: 42 صفحة . تاريخ الاطلاع: 28 يناير 2017 .
  8. ↑ تشين، هـ. هـ؛ لاثروب، ج. ف. (1978). "ملاحظة تأين الإلكترونات التي تنجرف لمسافات طويلة في الأرجون السائل". الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء . 150 (3): 585-588 . Bibcode : 1978NucIM.150..585C . doi : 10.1016/0029-554x(78)90132-5 .
  9. 1 2 دوك، ت. (1993). "نظرة تاريخية على البحث والتطوير لكاشفات الغازات النادرة السائلة". الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء . A327 (1): 113-118 . Bibcode : 1993NIMPA.327..113D . doi : 10.1016/0168-9002(93)91423-K .
  10. ↑ "غرفة إسقاط الزمن تبلغ من العمر 25 عامًا" . سيرن: سيرن كورير . 27 ديسمبر 2004. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يناير 2017 .
  11. روبيا ، سي. ( 16 مايو 1977). "غرفة الإسقاط الزمني للأرجون السائل: مفهوم جديد لكاشفات النيوترينو" (ملف PDF) . تقارير سيرن الداخلية للفيزياء . 77 ( 8). سيرن : 15 صفحة . تاريخ الاسترجاع: 4 مايو 2022 .
  12. 1 2 3 4 5 أكياري، آر؛ آدامز، C.؛ آن، ر. أندريوبولوس، C.؛ أنكوفسكي، صباحا؛ أنتونيلو، م.؛ السعدي، J.؛ بادجيت، دبليو؛ باجبي، إل. (05/03/2015)، مقترح لبرنامج تذبذب النيوترينو قصير الأساس بثلاثة كاشفات في شعاع النيوترينو المعزز لفيرميلاب ، أرخايف : 1503.01520 ، استرجاعها 2025-11-30
  13. ^ جوشي، جي، تشيان، إكس، 2015.
  14. ↑ كاتز، ر.؛ كوبيتش، إي جيه (31-10-1970)، مسارات الجسيمات في المادة المكثفة ، doi : 10.2172/4750759 ، OSTI 4750759 
  15. ↑ أهلين، س.؛ باتات، ج. ب. ر.؛ كالدويل، ت.؛ ديكونو، س.؛ دوجميتش، د.؛ فيدوس، و.؛ فيشر، ب.؛ غولوب، ف.؛ هندرسون، س.؛ إنجليس، أ.؛ كابوث، أ.؛ كوهس، ج.؛ لانزا، ر.؛ لي، أ.؛ لوبيز، ج.؛ مونرو، ج.؛ شاهين، ت.؛ سيولا، ج.؛ سكفورودنيف، ن.؛ توميتا، هـ.؛ ويلنشتاين، هـ.؛ وولف، إ.؛ ياماموتو، ر.؛ يغوريان، هـ. (يناير 2011). "أول نتائج بحث عن المادة المظلمة من تشغيل سطحي لكاشف المادة المظلمة الاتجاهي DMTPC ذي 10-L". رسائل الفيزياء ب . 695 ( 1–4 ): 124–129 . arXiv : 1006.2928 . Bibcode : 2011PhLB..695..124A . doi : 10.1016/j.physletb.2010.11.041 . S2CID 56067102 . 

مراجع

  • ديمونشي، م. ميتيج، دبليو؛ سافاجولس، ه.؛ روسيل-شوماز، ب. شارتييه، م. جورادو، ب . جيوت، ل.؛ كورتينا-جيل، د.؛ كامانيو، م. تير أركوبيان، ج؛ فوميتشيف، أ.؛ رودين، أ. جولوفكوف، MS؛ ستيبانتسوف، S.؛ جيليبرت، أ.؛ بولاكو، إي. أوبرتيلي، أ.؛ وانغ، هـ. (2007). “مايا، هدف غازي نشط”. الأدوات والطرق النووية في أبحاث الفيزياء القسم أ: المسرعات وأجهزة قياس الطيف والكاشفات والمعدات المرتبطة بها . 573 ( 1 – 2): 145 – 148. بيب كود : 2007NIMPA.573..145D . دوى : 10.1016/j.nima.2006.11.025 .
  • فينكر، هـ.؛ بايلي، ن.؛ برادشو، ب.؛ بولتمان، س.؛ بوركيرت، ف.؛ كريستي، م.؛ دودج، ج.؛ دوتا، د.؛ إنت، ر.؛ إيفانز، ج.؛ فيرش، ر.؛ جيوفانيتي، ك.؛ غريفين، ك.؛ إسبيريان، م.؛ جايالاث، س.؛ كالانتاريانز، ن.؛ كيبل، س.؛ كون، س.؛ نيكوليسكو، ج.؛ نيكوليسكو، إ.؛ تكاتشينكو، س.؛ تفاسكيس، ف.؛ تشانغ، ج. (2008). "بونوس: تطوير واستخدام غرفة إسقاط زمنية شعاعية باستخدام مسرعات جسيمات غاوسية أسطوانية". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكواشف والمعدات المرتبطة بها . 592 (3): 273. بيب كود : 2008NIMPA.592..273F . دوى : 10.1016/j.nima.2008.04.047 . أوستي 920093 . 
  • ليرد، أ.م.؛ أماودروز، ب.؛ بوخمان، ل.؛ فوكس، س.ب.؛ فولتون، ب.ر.؛ جيجليوتي، د.؛ كيرشنر، ت.؛ مومبي-كروفت، ب.د.؛ أوبنشو، ر.؛ بافان، م.م.؛ بيرسون، ج.؛ روبريشت، ج.؛ شيفر، ج.؛ والدن، ب. (2007). "حالة جهاز TACTIC: كاشف للفيزياء الفلكية النووية". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكواشف والمعدات المرتبطة بها . 573 ( 1-2 ): 306-309 . رمز Bibcode : 2007NIMPA.573..306L . doi : 10.1016/j.nima.2006.10.384 .
  • روبيا، سي. (1977). غرفة إسقاط الوقت بالأرجون السائل: مفهوم جديد لكاشفات النيوترينو .
  • أتشياري، ر.؛ وآخرون  (2015). "ملخص ورشة العمل الثانية حول البحث والتطوير في غرفة إسقاط الزمن باستخدام الأرجون السائل في الولايات المتحدة". مجلة الأجهزة . 10 (7) T07006. arXiv : 1504.05608 . Bibcode : 2015JInst..10.7006A . doi : 10.1088/1748-0221/10/07/T07006 . S2CID 1396121 . 
  • جوشي، ج.؛ تشيان، إكس. (2015). "معالجة الإشارات في جهاز MicroBooNE LArTPC". arXiv : 1511.00317v1 [ physics.ins-det ].

للمزيد من القراءة