De kolde øjne på DUNE:International Deep Underground Neutrino Experiment

Hvordan opdager man en partikel, der næsten ikke har nogen masse, føler kun to af de fire grundlæggende kræfter, og kan rejse uhindret gennem fast bly i et helt lysår uden nogensinde at interagere med stof? Dette er problemet med neutrinoer, spøgelsesagtige partikler, der genereres i trillioner af kernereaktioner i stjerner, inklusive vores sol, og på jorden. Forskere kan også producere neutrinoer til at studere i kontrollerede eksperimenter ved hjælp af partikelacceleratorer. En af måderne, hvorpå neutrinoer kan detekteres, er med store kar fyldt med flydende argon og pakket ind med et komplekst væv af integrerede kredsløb, der kan fungere i temperaturer, der er koldere end den gennemsnitlige dag på Neptun.

Industrien bruger typisk ikke elektronik, der fungerer ved kryogene temperaturer, så partikelfysikere har været nødt til at konstruere deres egne. Et samarbejde mellem flere nationale laboratorier fra Department of Energy, inklusive Fermilab, har udviklet prototyper af den elektronik, der i sidste ende vil blive brugt i det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, kaldet DUNE, vært hos Fermilab. DUNE vil generere en intens stråle af neutrinoer ved Fermilab i Illinois og sende den 800 miles gennem jordskorpen til detektorer i South Dakota. Resultater fra eksperimentet kan hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvorfor der er mere stof end antistof, en ubalance, der førte til dannelsen af ​​vores univers.

Fysik og chill

DUNEs neutrino-detektorer vil være massive:i alt fire tanke, hver så høj som en fire-etagers bygning, vil indeholde en kombineret 70, 000 tons flydende argon og være placeret i en hule en kilometer under jordens overflade.

Argon forekommer naturligt som en gas i vores atmosfære, og forvandling af det til en væske medfører nedkøling til ekstremt kolde temperaturer. Atomkernerne af flydende argon er så tæt pakket sammen, at nogle af de berømte undvigende neutrinoer, der rejser fra Fermilab, vil interagere med dem, efterlader sig tegn på deres bortgang. Den resulterende kollision producerer forskellige partikler, der spredes i alle retninger, inklusive elektroner, som fysikere bruger til at rekonstruere stien for den ellers usynlige neutrino.

Et stærkt elektrisk felt, der opretholdes i detektoren, får de frie elektroner til at drive mod ledninger, der er knyttet til følsom elektronik. Når elektronerne bevæger sig forbi ledningerne, de genererer små spændingsimpulser, der optages af elektronik i væske-argon-kammeret. Forstærkere i kammeret booster derefter signalet ved at øge spændingen, hvorefter de konverteres til digitale data. Endelig, de opsamlede og digitaliserede signaler i hele kammeret flettes sammen og sendes til computere uden for detektoren til lagring og analyse.

Udfordringer for kølet elektronik

Elektronikken i neutrino-detektorer fungerer på samme måde som den teknologi, vi bruger i vores hverdag, med en større undtagelse. Det integrerede kredsløb i vores telefoner, computere, kameraer, biler, mikrobølger og andre enheder er udviklet til at fungere ved eller omkring stuetemperatur, ned til omkring minus 40 grader celsius. Flydende argon i neutrino-detektorer, imidlertid, afkøles til omkring minus 200 grader.

"Hvis du bruger elektronik designet til at fungere ved stuetemperatur, sjældent oplever du, at de virker næsten lige så godt som dem, der er designet til at fungere ved kryogene temperaturer, " sagde Fermilab-forskeren David Christian.

I fortiden, dette problem blev helt omgået ved at placere det elektroniske kredsløb uden for argontankene. Men når du måler et begrænset antal elektroner, selv den mindste mængde elektronikstøj kan skjule det signal, du leder efter.

Den nemmeste måde at afhjælpe problemet på involverer den samme taktik, som du bruger for at forhindre, at maden bliver fordærvet:Hold den kold. Hvis al elektronikken er nedsænket i flydende argon, der er færre termiske vibrationer fra atomer og et større signal-til-støj-forhold. At placere elektronikken i flydende argon-tanken har den ekstra fordel, at det reducerer mængden af ​​ledninger, du skal bruge til at levere signaler til forstærkerne. Hvis, for eksempel, forstærkere og analog-til-digital-omformere holdes uden for kammeret (som de er i nogle neutrino-detektorer), lange ledninger skal forbinde dem til detektorerne på indersiden.

"Hvis du sætter elektronikken inde i det kolde kammer, du har meget kortere ledninger og derfor lavere støj, sagde Carl Grace, en ingeniør ved Lawrence Berkeley National Laboratory. "Man forstærker signalet og digitaliserer det i argonkammeret. Så har man en digital grænseflade til omverdenen, hvor støj ikke længere er et problem."

Der er adskillige designudfordringer, som disse teams har skullet overvinde under udviklingen, ikke mindst, hvoraf det var at bestemme, hvordan man testede enhedernes holdbarhed.

"Disse chips skal fungere i mindst 20 år, forhåbentlig længere, " sagde Grace. "Og på grund af arten af ​​argonkamrene, elektronikken, der bliver puttet i dem, kan ikke ændres. De kan ikke skiftes ud eller repareres på nogen måde."

Da Grace og hans team ikke har 20 år til at teste deres prototyper, de har tilnærmet virkningerne af aldring ved at øge mængden af ​​spænding, der driver chipsene for at simulere sliddet af almindelige, langsigtet drift.

"Vi tager elektronikken, køl dem ned og hæv derefter deres spænding for at fremskynde deres aldring, " sagde Grace. "Ved at observere deres adfærd over en relativt kort periode, vi kan så estimere, hvor længe elektronikken ville holde, hvis den blev drevet ved de spændinger, som den er designet til."

Modstand i kredsløb

Ikke alene skal disse kredsløb bygges til at holde i årtier, de skal også gøres mere holdbare på en anden måde.

Elektroniske kredsløb har en vis modstand mod den elektriske strøm, der strømmer gennem det. Når elektroner passerer gennem et kredsløb, de interagerer med de vibrerende atomer i det ledende materiale, hvilket bremser dem. Men disse interaktioner reduceres, når elektronikken afkøles til kryogene temperaturer, og elektronerne, der udgør signalet, bevæger sig i gennemsnit hurtigere.

Dette er en god ting med hensyn til output; de integrerede kredsløb, der bygges til DUNE, vil fungere mere effektivt, når de placeres i flydende argon. Men, når elektronerne bevæger sig hurtigere gennem kredsløbene, når temperaturen falder, de kan begynde at gøre skade på selve kredsløbet.

"Hvis elektroner har en høj nok kinetisk energi, de kan faktisk begynde at rive atomer fra krystalstrukturen af ​​det ledende materiale, " sagde Grace. "Det er ligesom kugler, der rammer en væg. Muren begynder at miste integritet over tid."

DUNE-chips er designet til at afbøde denne effekt. Chipsene er fremstillet ved hjælp af store komponenter for at minimere mængden af ​​påløbne skader, og de bruges ved lavere spændinger end normalt ved stuetemperatur. Forskere kan også justere driftsparametre over tid for at kompensere for eventuelle skader, der opstår under deres mange års brug.

Tidslinje til færdiggørelse

Med forberedelserne til DUNE godt i gang, og eksperimentet forventes at begynde at generere data i 2027, forskere fra mange institutioner har arbejdet hårdt på at udvikle elektroniske prototyper.

Forskere ved Brookhaven National Laboratory arbejder på at perfektionere forstærkeren, mens hold fra Fermilab, Brookhaven og Berkeleys laboratorier samarbejder om design af analog-til-digital konverter. Fermilab er også gået sammen med Southern Methodist University for at udvikle den elektroniske komponent, der fusionerer alle data i en argontank, før de transmitteres til elektronik placeret uden for kuldedetektoren. Endelig, forskere, der arbejder på et konkurrerende design på SLAC National Accelerator Laboratory, forsøger at finde en måde at effektivt kombinere alle tre komponenter i ét integreret kredsløb.

De forskellige hold planlægger at indsende deres kredsløbsdesign til sommer til gennemgang. De udvalgte designs vil blive bygget og i sidste ende installeret i DUNE neutrino detektorer på Sanford Underground Neutrino Facility i South Dakota.