Ultrarent kobber til en ultrafølsom detektor for mørkt stof

I februar og marts, tre partier kobberplader ankom til Fermilab og blev hastet ind på lager 100 meter under jorden. Kobberet var blevet udvundet i Finland, rullet til plader i Tyskland og sendt over land og hav til laboratoriet - alt sammen inden for 120 dage. I jagten på at opdage mørkt stof, det mystiske stof, der udgør 85% af stoffet i universet, hver dag, kobberet brugt over jorden, betød noget.

"På jordens overflade, vi er i et byge af kosmiske stråler, " sagde Fermilab-forsker Dan Bauer.

Når disse højenergipartikler, der stammer fra rummet, rammer et kobberatom, de kan slå protoner og neutroner ud for at producere et andet atom kaldet kobolt-60. Cobalt-60 er radioaktivt, hvilket betyder, at det er ustabilt og spontant henfalder til andre partikler. Det minimale antal kobberatomer, der omdannes til kobolt, har ingen indflydelse på daglig brug af kobber. Men Bauer og andre, der arbejder på Super Cryogenic Dark Matter Search, skal tage drastiske skridt for at sikre, at det kobber, de bruger, er så rent som muligt.

Det seneste i en række af lignende eksperimenter, SuperCDMS vil søge efter mørkt stof hos SNOLAB, et underjordisk laboratorium nær Sudbury, Ontario, Canada. Kobberpladerne vil med tiden tage form af seks overdimensionerede sodavandsdåser arrangeret som rededukker. Den inderste dåse vil rumme germanium- og siliciumenheder designet til at detektere antaget svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er, især dem med mindre end 10 gange massen af ​​en proton. Den vakuumforseglede yderste dåse vil måle lidt over en meter i diameter. Hele indretningen, døbt SNOBOX, vil blive forbundet via et sæt kobberstængler til et specielt køleskab, der vil afkøle detektorerne til en lille brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt.

Ved sådanne kolde temperaturer, termiske vibrationer er så små, at en WIMP kan efterlade et detekterbart signal ved kollidering med et atom.

Men "du leder efter en nål i en høstak med mørkt stof, " sagde Bauer. "Det bedste du får er måske et par begivenheder om året."

I mellemtiden almindelige stofpartikler, der flyver gennem SuperCDMS-detektorerne, kunne producere uvedkommende signaturer, kendt som baggrund, der ville drukne signalerne fra mørkt stof-interaktioner.

Begraver SuperCDMS to kilometer under jorden og indkapsler SNOBOX i lag af bly, plastik og vand vil frasortere næsten alle de uønskede partikler i miljøet. Men intet står mellem kobberdåserne og detektorerne. Og mens kobbers overlegne evne til at transportere varme gør den ideel til afkøling af detektorerne, eventuelle radioaktive urenheder i metallet ville udsende baggrundspartikler.

Det bringer os tilbage til kobolt-60.

"Konklusionen er, at jo længere kobberet sidder på overfladen og bliver udsat for kosmiske stråler, jo mere kobolt-60 dannes, " forklarede Fermilabs Matthew Hollister, lederen af ​​SuperCDMS-kryogensystemet. "Så en del af baggrundsbudgettet for eksperimentet inkluderer en tidsgrænse for overfladeeksponering."

Cobalt-60 er ikke den eneste urenhed at bekymre sig om. Radioaktive isotoper af uran, thorium og kalium forekommer naturligt i jordskorpen, så SuperCDMS-teamet måtte købe kobber fra en mine med så lidt af disse metaller som muligt. Ikke-radioaktive urenheder betyder noget, også - de kan mindske kobberets evne til at lede varme, hvilket gør det sværere at holde detektorerne kolde. I alt, kobberet til SuperCDMS skal være over 99,99 % rent med færre end 0,1 ppm radioaktive urenheder.

Mellem iboende urenheder og dem, der indføres gennem skæring, rulle og transportere kobberet, pladerne, der nu sidder under jorden ved Fermilab, er ikke helt uberørte.

"Meget af processen er ikke noget, vi har direkte kontrol over, " sagde Hollister. "Noget af det er virkelig et skud i mørket om, hvad vi ender med i slutningen af ​​dagen."

Efter at have modtaget pladerne, forskerne sendte prøver til det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory for detaljeret test for at kvantificere de resterende urenheder. Snart, pladerne vil forlade Fermilab til fremstilling, og kobolturet vil tikke igen, indtil dåserne når deres hjem på SNOLAB.

"Det sidste skridt, før vi tager dem under jorden, vil være at sprøjte dem med en syreætsning, der vil fjerne nogle titusvis af mikrometer af overfladen, " sagde Bauer.

En opløsning af hydrogenperoxid og fortyndet saltsyre vil fjerne eventuelle overfladeurenheder, der har ophobet sig i fremstillingsprocessen. Og en svag citronsyreopløsning vil bevare kobberets høje varmeledningsevne ved at beskytte det mod oxidation i løbet af eksperimentet.

SuperCDMS-samarbejdet planlægger at begynde at indsamle data i 2022. Alt i alt denne iteration af eksperimentet sigter mod baggrundsniveauer 100 gange lavere end sin forgænger, i høj grad takket være kobberets renhed. Med den øgede følsomhed, forskere håber at få øje på eventuelle lavmasse-WIMP'er, der måtte være i nabolaget.

"Dette program har været ret lang tid under udvikling, så det er godt at se det begynder at hænge sammen, " sagde Hollister. "SNOBOX er virkelig det sidste store stykke, så vi ser frem til at få denne ting installeret og få den operationel så hurtigt som vi kan."

SuperCDMS forskning i mørkt stof er støttet af DOE's Office of Science og National Science Foundation, samt Canada Foundation for Innovation og SNOLAB.