В газовой камере, где обычно регистрируют быстрые электроны, вдруг пошли медленные носители заряда — отрицательные ионы. Они движутся как тяжёлые носильщики, которые не разбегаются по сторонам, а идут ровным строем. Именно такая аккуратность нужна детекторам, которые ищут тёмную материю: чем меньше размытие следа частицы, тем точнее можно восстановить её направление.
До сих пор, чтобы получить отрицательные ионы, в рабочий газ добавляли специальные вещества — электроотрицательные газы. Они захватывали электроны, но одновременно снижали усиление сигнала и требовали осторожности: некоторые из них токсичны или горючи. Авторы новой работы поступили иначе. Они взяли чистый CF4 — газ, который обычно считают неэлектроотрицательным, — и подняли электрическое поле выше определённого порога. При этом электроны, разгоняясь, стали разрывать молекулы CF4 на части, и к одному из осколков прилипал электрон. Так рождались отрицательные ионы без всяких добавок.
Чтобы увидеть эти ионы, учёные использовали быстрые фотоумножители — приборы, которые превращают слабые вспышки света в электрические сигналы. Каждый отрицательный ион, попадая в область усиления, рождал лавину заряда, и её свет регистрировался отдельным пиком. Считая такие пики по одному, удалось измерить энергию частиц с точностью 7,9% вместо 8,9% у обычного электронного сигнала. Разница небольшая, но она показывает, что ионный режим не уступает электронному по качеству.
Возвращаясь к образу носильщиков: раньше, чтобы заставить электроны идти строем, приходилось нанимать специальных надсмотрщиков — электроотрицательные газы, которые замедляли и ослабляли всю команду. Теперь выяснилось, что сами молекулы CF4 при достаточно сильном поле могут превращать быстрых курьеров в аккуратных носильщиков. Переключение между режимами — просто вопрос напряжения.
Это открытие открывает путь к большим газовым детекторам для поиска тёмной материи и солнечных нейтрино, где важно миллиметровое пространственное разрешение. Метод может пригодиться и в медицинской визуализации, и в радиационном мониторинге — везде, где нужно видеть тонкие детали трека без опасных газовых добавок.
CF4 обычно считают «неэлектроотрицательным» газом, потому что его сродство к электрону отрицательно (-0.7 эВ). Но при энергии электронов выше порога диссоциации связи CF3-F (5.6 эВ) молекула разваливается на нейтральный фрагмент и отрицательный ион. Так газ, который не может удержать целый электрон, всё же порождает стабильные отрицательные ионы.