Ruhige Kabel dienen dazu, seltene physikalische Ereignisse aufzudecken.

21. September 2023

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Von Karyn Hede, Pacific Northwest National Laboratory

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Radio auf einen einzigen Sender einzustellen, aber stattdessen treffen Sie auf Störgeräusche und störende Signale von Ihrer eigenen Ausrüstung. Das ist die Herausforderung, der sich Forschungsteams gegenübersehen, die nach Hinweisen auf extrem seltene Ereignisse suchen, die dazu beitragen könnten, den Ursprung und die Natur der Materie im Universum zu verstehen. Es stellt sich heraus, dass es hilft, Ihre Instrumente sehr leise zu machen, wenn Sie versuchen, in einige der schwächsten Signale des Universums einzutauchen.

Auf der ganzen Welt lauschen mehr als ein Dutzend Teams auf die Geräusche und das elektronische Knistern, das bedeuten könnte, dass sie endlich den richtigen Kanal eingestellt haben. Diese Wissenschaftler und Ingenieure haben außergewöhnliche Anstrengungen unternommen, um ihre Experimente vor falschen Signalen zu schützen, die durch kosmische Strahlung verursacht werden.

Die meisten solcher Experimente befinden sich an sehr abgelegenen Orten - wie etwa einen Kilometer unter der Erde in einem Nickelbergwerk in Sudbury, Ontario, Kanada, oder in einem verlassenen Goldbergwerk in Lead, South Dakota -, um sie vor natürlichen radioaktiven Elementen auf der Erde zu schützen. Eine solche Quelle von Fehlsignalen kommt jedoch von der natürlichen Radioaktivität in der Elektronik selbst, die für die Aufzeichnung potenzieller Signale entwickelt wurde.

Selbst radioaktive Verunreinigungen, selbst in Konzentrationen von einem Milliardstel, können die gesuchten, schwer fassbaren Signale imitieren, die Wissenschaftler suchen. Ein Forschungsteam des Pacific Northwest National Laboratory des Department of Energy, das mit Q-Flex Inc., einem kleinen Geschäftspartner in Kalifornien, zusammenarbeitet, hat jetzt elektronische Kabel aus hochreinen Materialien hergestellt.

Diese Kabel sind speziell konzipiert und hergestellt, um sehr niedrige Konzentrationen der radioaktiven Verunreinigungen aufzuweisen, die die empfindlichen Neutrino- und Dunkle-Materie-Experimente nicht stören werden.

Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift EPJ Techniques and Instrumentation berichten, haben die Kabel nicht nur Anwendungen in physikalischen Experimenten, sondern sie können auch dazu beitragen, die Wirkung ionisierender Strahlung auf zukünftige Quantencomputer zu reduzieren.

'Wir haben eine Technik entwickelt, um elektronische Kabel herzustellen, die hundertmal niedriger sind als die derzeit kommerziell erhältlichen Optionen', sagte PNNL-Hauptermittler Richard Saldanha. 'Dieser Herstellungsansatz und dieses Produkt haben Anwendungen in jedem Bereich, der empfindlich auf das Vorhandensein auch sehr niedriger Konzentrationen radioaktiver Verunreinigungen reagiert'.

Kleine Mengen natürlicher radioaktiver Elemente kommen überall vor: in Gesteinen, Schmutz und Staub in der Luft. Die Menge an Strahlung, die sie abgeben, ist so gering, dass sie keine Gesundheitsrisiken darstellen, aber trotzdem Probleme für Neutrino- und Dunkle-Materie-Detektoren der nächsten Generation verursachen können.

'Wir müssen typischerweise eine Million oder manchmal sogar eine Milliarde Mal sauberer sein als die Kontaminationsniveaus, die man nur in einem kleinen Fleckchen Schmutz oder Staub findet', sagte PNNL-Chemiker Isaac Arnquist, der den Forschungsartikel mitverfasst hat und das Messungsteam leitete.

Für diese Experimente haben Saldanha, Arnquist und die Kollegen Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco und Tyler Schlieder die Menge an Uran, Thorium und Kalium bei jedem Schritt der etwa zwölf Verarbeitungsschritte bewertet, die letztendlich ein Detektorkabel herstellen. Das Team entwickelte dann spezielle Reinigungs- und Fertigungstechniken, um die Kontamination auf vernachlässigbare Niveaus zu reduzieren. In einem ultrareinen Labor ohne Staub und Verunreinigungen planen die Forscher ihre Schritte sorgfältig.

'Ich denke fast, wir sind Leistungssportler, weil alles, jede Bewegung, die wir machen, extrem durchdacht ist. Es ist fast wie bei choreografierten Tänzern', so Arnquist. 'Wenn wir ein Probenmaterial behandeln, gibt es keine unnötige, überflüssige Bewegung oder Interaktion mit der Probe, weil diese Interaktion eine Kontamination verursachen könnte, die die Genauigkeit unserer Messungen beeinträchtigt'.

Nach mehreren Jahren Arbeit und Hunderten von Messungen sind die resultierenden Kabel nun so frei von Verunreinigungen, dass sie den Betrieb von Dunkle-Materie- und Neutrino-Experimenten der nächsten Generation wie DAMIC-M, OSCURA und nEXO nicht beeinflussen werden. Das Forschungsteam weist in seiner Studie darauf hin, dass niederstrahlende Kabel die Empfindlichkeit der Experimente erhöhen und sogar mehr Flexibilität beim Design von Detektoren ermöglichen können.

So, exactly what are the researchers looking for in these experiments? In the case of both dark matter and neutrinoless double beta decay, they are hoping to record extremely rare events that could solve two key mysteries of the universe. Both of these mysteries pose fundamental questions about why the universe looks the way it does.

The galaxies that fill our universe would not have formed without the existence of dark matter. Dark matter makes up around 85% of the matter of the universe, and yet, we have never observed dark matter directly, only its gravitational imprint on the universe. Perhaps more intriguing, the question of why there is matter in the universe at all may hinge on a unique property of the smallest known particles of matter—the neutrino.

Unlike all other fundamental particles, neutrinos could possibly interact as both matter and anti-matter. If true, this could result in an extremely rare nuclear decay called neutrinoless double beta decay. Scientists are building large experiments consisting of many tons of sensitive material with the hope of finding the first evidence of neutrinoless double beta decay within the next decade.

'Every step we take to eliminate interfering radioactivity gets us closer to finding evidence for dark matter or neutrinoless double beta decay,' said Saldanha.

'These flexible cables have many conductive pathways, which are needed to read out complicated signals,' added Arnquist. 'When, say, dark matter interacts with the detector or a neutrinoless double beta decay occurs, it's going to create an event that needs to be accurately recorded—read out—to make the discovery. We need to put a complex electronic part that is extremely clean of radioactive elements into the heart of the detector.'

'Next generation searches for neutrinoless double beta decay will be among the lowest radioactivity experiments ever constructed,' said David Moore, a Yale University physicist and PNNL collaborator.

'These detectors use such pure materials that even a small amount of normal cabling materials would overwhelm the radioactivity from the entire rest of the detector, so developing ultra-low-background cables to read out such detectors is a major challenge. This recent work from PNNL and Q-Flex is key to enabling these detectors and will reduce the cabling background to a small fraction of what was possible with previous technologies.'

Planning is already underway to upgrade the highly sensitive DAMIC-M dark matter experiment and the new ultra-pure cables are one of the key improvements scheduled for installation in the detector.

'One component that we can't avoid in our detector are the cables that transmit the signals, which must be of very low radioactivity,' said Alvaro E Chavarria, a physicist at the University of Washington and a collaborator on the DAMIC-M project.

'Prior to this recent PNNL development, the best solution was microcoax cables, which carry too few signals and would have required a significant redesign of our detector. This development is super exciting, since it enables the use of the industry-standard flex-circuit technology for low-background applications.'

Recent research findings by PNNL scientists and other collaborators indicate that the performance of some quantum computing devices can be affected by the presence of trace radioactive contaminants. While radioactivity is not currently what limits the capabilities of existing quantum computers, it is possible that quantum devices of the future might need low-radioactivity cables to enhance their performance.

'We see the potential for these cables to find applications in a wide range of sensitive radiation detectors and perhaps other applications such as quantum computing,' Saldanha said.

Provided by Pacific Northwest National Laboratory