Новости космоса и технологий. » Физика » Сверхчистая медь для сверхчувствительного детектора темной материи

Сверхчистая медь для сверхчувствительного детектора темной материи

Опубликовал: Admin, 31-10-2020, 01:01, Физика, 36, 0

Сверхчистая медь для сверхчувствительного детектора темной материи

В феврале и марте три партии медных пластин прибыли в Фермилаб и были срочно отправлены на склад на глубине 100 метров под землей. Медь была добыта в Финляндии, свернута в пластины в Германии и отправлена ​​по суше и по морю в лабораторию - и все это в течение 120 дней. В поисках темной материи, таинственной субстанции, составляющей 85% материи Вселенной, каждый день, проведенный над землей, имел значение.

«На поверхности Земли мы находимся под ливнем космических лучей», - сказал ученый из Фермилаба Дэн Бауэр.

Когда эти частицы высоких энергий из космоса нанесет удар Атом меди , они могут выбивать протоны и нейтроны, чтобы произвести другой атом под названием кобальт-60. Кобальт-60 радиоактивен, что означает, что он нестабилен и самопроизвольно распадается на другие частицы. Незначительное количество атомов меди, преобразованных в кобальт, не влияет на повседневное использование меди. Но Бауэр и другие, работающие над суперкриогенным поиском темной материи, должны предпринять решительные шаги, чтобы медь, которую они используют, была как можно более чистой.

SuperCDMS, последняя из серии подобных экспериментов, будет искать темную материю в SNOLAB, подземной лаборатории недалеко от Садбери, Онтарио, Канада. пластины медные в конечном итоге примет форму шести негабаритных банок из-под газировки, расставленных как матрешки. В самой внутренней банке будут размещаться германиевые и кремниевые устройства, предназначенные для обнаружения гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц, или WIMP, особенно тех, масса которых меньше, чем в 10 раз превышает массу протона. Самая внешняя банка с вакуумным уплотнением будет иметь диаметр чуть более метра. Вся конструкция, получившая название SNOBOX, будет связана с помощью набора медных стержней со специальным холодильником, который будет охлаждать детекторы до крошечной доли градуса выше абсолютного нуля.

При таких низких температурах тепловые колебания настолько малы, что WIMP может оставить обнаруживаемый сигнал при столкновении с атомом.

Но «вы ищете иголку в стоге сена с темной материей», - сказал Бауэр. «Лучшее, что вы получите, - это, может быть, несколько мероприятий в год».

Между тем, обычные частицы материи, пролетающие через детекторы SuperCDMS, могут создавать посторонние сигнатуры, известные как фон, которые заглушают сигналы от взаимодействий темной материи.

Захоронение SuperCDMS в двух километрах под землей и закрытие SNOBOX слоями свинца, пластика и воды позволит отфильтровать почти все нежелательные частицы в окружающей среде. Но между медными банками и детекторами ничего не стоит. И хотя превосходная способность меди переносить тепло делает ее идеальной для охлаждения детекторов, любые радиоактивные примеси в металле будут излучать фоновые частицы.

Это возвращает нас к кобальту-60.

«Суть в том, что чем дольше медь находится на поверхности, подвергаясь воздействию космических лучей, тем больше образуется кобальта-60», - пояснил Мэтью Холлистер из Fermilab, менеджер криогенной системы SuperCDMS. «Таким образом, часть фонового бюджета для эксперимента включает ограничение по времени для воздействия на поверхность».

Кобальт-60 - не единственная примесь, о которой следует беспокоиться. Радиоактивные изотопы урана, тория и калия естественным образом встречаются в земной коре, поэтому команде SuperCDMS пришлось покупать медь, добываемую в шахте, с минимальным содержанием этих металлов. Нерадиоактивные примеси тоже имеют значение - они могут снизить способность меди проводить тепло, что затрудняет сохранение детекторов в холодном состоянии. В целом медь для SuperCDMS должна иметь чистоту более 9999% и содержать менее 01 части на миллиард радиоактивных примесей.

Между внутренними примесями и примесями, попавшими в результате резки, прокатки и транспортировки меди, плиты, которые сейчас находятся под землей в Фермилабе, не совсем первозданные.

«Многие процессы не находятся под нашим прямым контролем», - сказал Холлистер. «Некоторые из них действительно являются выстрелом в темноте относительно того, что мы собираемся сделать в конце дня».

После получения пластин исследователи отправили образцы в Тихоокеанскую северо-западную национальную лабораторию Министерства энергетики США для детального тестирования для определения количества оставшихся примесей. Вскоре пластины будут отправлены из Фермилаба для изготовления, и кобальтовые часы снова будут тикать, пока банки не дойдут до дома в SNOLAB.

«Последним шагом перед тем, как мы переместим их под землю, будет нанесение на них кислотного травления, которое снимет несколько десятков микрон с поверхности», - сказал Бауэр.

Раствор перекиси водорода и разбавленной соляной кислоты удалит любые поверхностные загрязнения, накопившиеся в процессе производства. А слабый раствор лимонной кислоты сохранит высокую теплопроводность меди, защищая ее от окисления в ходе эксперимента.

Сотрудничество SuperCDMS планирует начать сбор данных в 2022 году. В целом, эта итерация эксперимента нацелена на уровни фона в 100 раз ниже, чем его предшественник, во многом благодаря чистоте медь . Благодаря повышенной чувствительности исследователи надеются обнаружить любые маломассивные вимпы, которые могут быть поблизости.

«Эта программа разрабатывалась довольно давно, поэтому приятно видеть, что она начинает складываться», - сказал Холлистер. «SNOBOX на самом деле является последней важной частью, поэтому мы с нетерпением ждем возможности установить эту штуку и ввести ее в эксплуатацию, как только мы сможем».

Исследование SuperCDMS на темная материя поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США и Национальным научным фондом, а также Канадским фондом инноваций и SNOLAB.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии