البوزيترونيوم ذرة لبتونية خالصة يرتبط فيها الإلكترون والبوزيترون بقوى كهرومغناطيسية. وقنواته العادية للفناء متنبأ بها بدقة: البارابوزيترونيوم يتفكك إلى فوتونين، والأورثوبوزيترونيوم إلى ثلاثة. وإذا ظهر في الاضمحلال جسيم غير مرئي (مثل فوتون داكن أو حالة شبيهة بالأكسيون)، فإن جزءاً من الطاقة يُحمل بعيداً دون أن يُلاحظ، ويبدو الحدث وكأن طاقة قد «فُقدت». وقد بلغت البحوث السابقة، ومنها تجربة ETH Zurich بمسعر 4π من BGO، حداً عند مستوى 4,3×10⁻⁷ في احتمال الاضمحلال غير المرئي. ويأتي عمل KAPAE II ضمن محاولات تحسين هذا الحد بمرتبة قدرية، لكنه يختلف في المقاربة: فقد صُمم الكاشف خصيصاً للبحث عن الطاقة المفقودة، لا لدراسة الاضمحلالات المرئية، وهو يعمل في عمق الأرض عند درجات حرارة قرية.
بُني كاشف KAPAE II حول مصفوفة من 25 بلورة BGO (أكسيد البزموت والجرمانيوم) بأبعاد 30×30×150 مم، تحيط بمنطقة مركزية تضم مصدراً من الصوديوم-22 ومشغلاً من غشاء PEN بسماكة 375 ميكرومتر. ويسجل الغشاء البوزيترون، بينما تسجل بلورات BGO كمات غاما عند طاقتي 511 و1275 كيلوإلكترون فولت. ولتحسين الهندسة وسماكة المشغل استُخدمت محاكاة Geant4: إذ جرى البحث عن توازن بين كفاءة تسجيل البوزيترون وأدنى تشويه لإشعاع غاما. وقد تمت قراءة الضوء من كل بلورة بواسطة مصفوفة من 16 مضخماً ضوئياً سيليكونياً (SiPM) مع مضخم أولي، بينما رُقمنت البيانات بتردد 62,5 ميغاهرتز. ويوضع الكاشف في غرفة قرية مع تدريع من النحاس والرصاص، وهو مثبت في مختبر Yemi تحت الأرض على عمق 1000 متر، حيث يُخفض تدفق الميونات بأكثر من 330 000 مرة.
بعد التبريد إلى −37,5 °C تحسنت دقة الطاقة في الكاشف: فعند طاقة 511 كيلوإلكترون فولت بلغت 11,7% (مقابل 14,8% عند درجة حرارة الغرفة)، وعند 1275 كيلوإلكترون فولت بلغت 6,5%. وبالنسبة لبلورة منفردة ذات سطح منتشر، تحققت دقة 10,8% عند طاقة 662 كيلوإلكترون فولت، وهي أفضل بوضوح من النسبة النموذجية 15% لبلورات تجربة ETH Zurich. والنتيجة الرئيسية هي كبت أحداث الخلفية: فقد كان معدل توافقات البوزيترون-غاما على السطح في حدود 1 هرتز مع دفعات تصل إلى 65 هرتز، ثم انخفض تحت الأرض إلى ما دون 3×10⁻⁴ هرتز، أي بأكثر من ثلاث مراتب قدرية. وبعد تصحيح التسرب الضوئي بين البلورات المتجاورة، يتوافق الطيف الطاقي الكلي توافقاً جيداً مع محاكاة Geant4، ما يؤكد جاهزية الكاشف للبحث عن الاضمحلالات غير المرئية.
يتميز هذا العمل عن الأعمال المجاورة في الأرشيف بأنه يصل إلى التنفيذ العملي لدورة كاملة: من محاكاة الهندسة إلى التشغيل المستقر تحت الأرض عند درجة حرارة قرية. وبخلاف التجارب ذات الكواشف المجزأة، يستخدم KAPAE II مسعراً مدمجاً بعدد أقل من القنوات، ما يقلل احتمال الأحداث الزائفة ذات الطاقة «المفقودة». والمنشأة لا تختبر التنبؤات النظرية فحسب، بل تنشئ أداة قادرة على تحسين الحد القائم في احتمال الاضمحلال غير المرئي للبوزيترونيوم بمرتبة قدرية. وهذا يوسع نافذة البحث عن جسيمات خفيفة في القطاع الداكن لا تُرى في تجارب أخرى.
بناءً على الحساسية المتحققة، يُخطط لجمع بيانات وتحديد حد جديد في احتمال الاضمحلال غير المرئي للبوزيترونيوم عند مستوى 10⁻⁸. وقد يرتبط التحسين اللاحق بزيادة زمن الجمع، وتحسين انتقاء الأحداث، ودقة أعلى في نمذجة الخلفيات. ومن الممكن أيضاً توسيع البحث ليشمل الاضمحلالات غير المرئية جزئياً، حيث يُسجل فوتون واحد بطاقة شاذة. وعلى المدى البعيد، قد تُنقل هذه المنهجية إلى حالات غريبة خفيفة أخرى تتنبأ بها نماذج القطاع المخفي.
سيؤثر كاشف KAPAE II في فيزياء الجسيمات الأولية، ولا سيما في البحث عن جسيمات خفيفة في القطاع الداكن، مثل الفوتونات الداكنة والجسيمات الشبيهة بالأكسيون. وستفيد نتائجه في تدقيق النماذج التي تتجاوز النموذج القياسي، وفي التخطيط لتجارب مستقبلية بالبوزيترونيوم.
الخطوة الأقرب هي جمع بيانات مطوّل في المختبر تحت الأرض وتحليل الأحداث ذات الطاقة المفقودة. ثم يأتي بعد ذلك مقارنة مع المحاكاة وتحديد حد جديد في احتمال الاضمحلال غير المرئي.
يرتبط البحث عن اضمحلالات البوزيترونيوم غير المرئية ارتباطاً مباشراً بإحدى كبرى المسائل غير المحلولة في فيزياء الجسيمات، ألا وهي طبيعة المادة الداكنة. فإذا كانت المادة الداكنة تتكون من جسيمات خفيفة تتفاعل تفاعلاً ضعيفاً مع المادة العادية، فقد تظهر تحديداً في مثل هذه الاضمحلالات النادرة. وسيتيح تحسين الحد بمرتبة قدرية إما كشف إشارة، أو تقييد فئة نماذج القطاع المخفي تقييداً كبيراً.
البوزيترونيوم أخف الذرات المعروفة: كتلته أقل من كتلة ذرة الهيدروجين بـ 2000 مرة. وعمر الأورثوبوزيترونيوم في الفراغ نحو 142 نانوثانية، لكنه في الكاشف يفنى أسرع بسبب تفاعله مع المادة.
فكرة جسيمات غير مرئية تحمل الطاقة تتقاطع مع «المادة الداكنة» في الخيال العلمي، كما في رواية ليو تسيشين «مشكلة الكواكب الثلاثة»، حيث تؤثر مادة غير مرئية في العمليات الفيزيائية. غير أن الحديث في التجربة الواقعية يدور عن بحث صارم عن مرشحين محددين، لا عن مواد خيالية.