Las cámaras de proyección temporal (TPC) de gas se consideran la base de futuros detectores para la búsqueda de wimps (partículas masivas de interacción débil) y de neutrinos solares. El problema clave: a grandes distancias de deriva, la difusión de los electrones difumina los detalles finos de la traza. Los iones negativos derivan más despacio, pero con una difusión cercana a la térmica, por lo que el método de deriva de iones negativos (NID) resulta atractivo. Hasta ahora, el NID requería añadir gases electronegativos (CS2, O2, SF6), lo que reduce la ganancia y genera problemas de seguridad. El trabajo va por un camino aparte: en el archivo hay, cerca, estudios sobre cómo mejorar la sensibilidad de los detectores de materia oscura y sobre trampas de iones, pero nadie había intentado obtener NID en CF4 puro.
El experimento se realizó en una TPC pequeña (3 cm de intervalo de deriva) con cátodo de rejilla y una cascada de amplificación basada en un multiplicador electrónico gaseoso (GEM) de 50 µm de espesor. Como gas de trabajo se usó CF4 puro a presiones de 15–50 Torr. La ionización la creaban partículas alfa de una fuente de 241Am, dirigidas paralelamente al plano del GEM. La luz de las centelleos se registraba con dos fotomultiplicadores (PMT), uno arriba y otro abajo. El campo de deriva se varió para cruzar el umbral de adhesión disociativa de electrones (DEA). Las señales se digitalizaron a una frecuencia de 125 MHz y se analizó la forma de los pulsos.
Con campos reducidos por encima de unos 20 Td (1 Td = 10^-17 V·cm^2), la señal de avalancha electrónica se suprime y en la zona retardada aparecen picos individuales que corresponden a avalanchas de iones negativos. La longitud de adhesión de los electrones resultó menor que 1 mm a presiones de 20–35 Torr. La movilidad de los iones se sitúa en el intervalo de 0.6–1.2 cm^2/(V·s), lo que concuerda con los datos de la literatura para F- y CF3-. La ganancia para los iones negativos alcanzó el 70% de la electrónica con la misma tensión en el GEM, superior a la del SF6. El conteo de avalanchas iónicas individuales dio una resolución energética del 7.9% frente al 8.9% de la señal electrónica integral con la misma ganancia.
El trabajo demuestra por primera vez el NID en CF4 puro sin aditivo de gas electronegativo. Esto abre el camino a detectores en los que el modo de deriva electrónica y el iónico se conmutan con un simple cambio de campo. La diferencia con los trabajos vecinos: en lugar de optimizar mezclas electronegativas, los autores aprovecharon la adhesión disociativa en un gas común, lo que elimina los problemas de seguridad y de reducción de la ganancia. Los datos obtenidos sobre la longitud de adhesión y la movilidad de los iones permiten diseñar futuras TPC grandes con resolución espacial milimétrica.
El tema puede avanzar hacia la optimización de la presión y el campo para lograr longitudes de adhesión aún menores. Es necesario estudiar los procesos competidores a presiones superiores a 35 Torr, donde se observa un aumento de la longitud de adhesión, posiblemente por autodesprendimiento mediante colisiones. Es prometedor investigar otros gases moleculares con umbrales de DEA adecuados. También es importante comprobar el funcionamiento del método en grandes volúmenes y con una ganancia más alta.
Los resultados influirán en el diseño de detectores de materia oscura sensibles a la dirección y en los experimentos de neutrinos. El método puede ser útil en imagen médica y en monitorización radiológica, donde se requiere alta resolución espacial.
Realizar mediciones a presiones superiores a 50 Torr con una geometría y una ganancia optimizadas. Investigar la dependencia de la longitud de adhesión respecto a la presión y el campo en un intervalo más amplio. Comprobar la estabilidad del funcionamiento en régimen prolongado.
El trabajo se relaciona con el problema no resuelto de alcanzar una resolución espacial submilimétrica en grandes detectores de gas. También aborda una cuestión fundamental: los mecanismos de adhesión disociativa de electrones en gases moleculares a energías intermedias.
Al CF4 se lo suele considerar un gas «no electronegativo», porque su afinidad electrónica es negativa (-0.7 eV). Pero cuando la energía de los electrones supera el umbral de disociación del enlace CF3-F (5.6 eV), la molécula se rompe en un fragmento neutro y un ion negativo. Así, un gas que no puede retener un electrón entero genera, sin embargo, iones negativos estables.