Les chambres à projection temporelle (TPC) à gaz sont considérées comme la base de futurs détecteurs pour la recherche de WIMPs (particules massives interagissant faiblement) et de neutrinos solaires. Le problème clé : sur de grandes distances de dérive, la diffusion des électrons brouille les détails fins de la trace. Les ions négatifs dérivent plus lentement, mais avec une diffusion proche de la diffusion thermique, ce qui rend la méthode de dérive d'ions négatifs (NID) attrayante. Jusqu'ici, la NID nécessitait l'ajout de gaz électronégatifs (CS2, O2, SF6), ce qui réduit le gain et crée des problèmes de sécurité. Ce travail est isolé : à côté, dans les archives, on trouve des études sur l'amélioration de la sensibilité des détecteurs de matière noire et sur les pièges à ions, mais personne n'avait tenté d'obtenir la NID dans du CF4 pur.
L'expérience a été réalisée sur une petite TPC (3 cm d'espace de dérive) avec une cathode en grille et un étage d'amplification à base d'un multiplicateur d'électrons gazeux (GEM) de 50 µm d'épaisseur. Le gaz de travail était du CF4 pur à des pressions de 15–50 Torr. L'ionisation était produite par des particules alpha d'une source de 241Am, dirigées parallèlement au plan du GEM. La lumière de scintillation était détectée par deux photomultiplicateurs (PM) en haut et en bas. Le champ de dérive était varié afin de franchir le seuil d'attachement dissociatif des électrons (DEA). Les signaux étaient numérisés à une fréquence de 125 MHz et la forme des impulsions était analysée.
Pour des champs réduits supérieurs à environ 20 Td (1 Td = 10^-17 V·cm^2), le signal d'avalanche électronique est supprimé, et dans la zone retardée apparaissent des pics individuels correspondant aux avalanches d'ions négatifs. La longueur d'attachement des électrons était inférieure à 1 mm pour des pressions de 20–35 Torr. La mobilité des ions se situe dans la plage 0.6–1.2 cm^2/(V·s), ce qui est cohérent avec les données de la littérature pour F- et CF3-. Le gain pour les ions négatifs atteignait 70 % de celui des électrons à la même tension sur le GEM, ce qui est supérieur à ce qu'on obtient dans le SF6. Le comptage des avalanches ioniques individuelles a donné une résolution en énergie de 7.9 % contre 8.9 % pour le signal électronique intégré au même gain.
Ce travail démontre pour la première fois la NID dans du CF4 pur sans ajout de gaz électronégatif. Cela ouvre la voie à des détecteurs où le mode de dérive électronique et ionique se commute par simple changement de champ. La différence avec les travaux voisins : au lieu d'optimiser des mélanges électronégatifs, les auteurs ont utilisé l'attachement dissociatif dans un gaz ordinaire, ce qui élimine les problèmes de sécurité et de réduction du gain. Les données obtenues sur la longueur d'attachement et la mobilité des ions permettent de concevoir de futures grandes TPC avec une résolution spatiale millimétrique.
Le sujet peut évoluer vers l'optimisation de la pression et du champ pour atteindre des longueurs d'attachement encore plus petites. Il est nécessaire d'étudier les processus concurrents à des pressions supérieures à 35 Torr, où l'on observe une augmentation de la longueur d'attachement, peut-être due au détachement par collisions. L'étude d'autres gaz moléculaires ayant des seuils DEA appropriés est prometteuse. Il est également important de vérifier le fonctionnement de la méthode dans de grands volumes et avec un gain plus élevé.
Les résultats influenceront la conception de détecteurs de matière noire sensibles à la direction et d'expériences sur les neutrinos. La méthode peut être utile en imagerie médicale et en surveillance radiologique, où une haute résolution spatiale est requise.
Effectuer des mesures à des pressions supérieures à 50 Torr avec une géométrie et un gain optimisés. Étudier la dépendance de la longueur d'attachement à la pression et au champ sur une plage plus large. Vérifier la stabilité de fonctionnement en régime de longue durée.
Ce travail est lié au problème non résolu d'atteindre une résolution spatiale submillimétrique dans de grands détecteurs gazeux. Il aborde également la question fondamentale des mécanismes d'attachement dissociatif des électrons dans les gaz moléculaires à des énergies intermédiaires.
Le CF4 est généralement considéré comme un gaz « non électronégatif », car son affinité électronique est négative (-0.7 eV). Mais lorsque l'énergie des électrons dépasse le seuil de dissociation de la liaison CF3-F (5.6 eV), la molécule se brise en un fragment neutre et un ion négatif. Ainsi, un gaz qui ne peut pas retenir un électron entier produit tout de même des ions négatifs stables.