Cables silenciosos diseñados para ayudar a revelar eventos raros de física.

21 de septiembre de 2023

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por Karyn Hede, Pacific Northwest National Laboratory

Imagina tratar de sintonizar una radio en una única estación, pero en lugar de eso encontrarte con ruido estático y señales interferentes de tu propio equipo. Ese es el desafío al que se enfrentan los equipos de investigación que buscan evidencia de eventos extremadamente raros que podrían ayudar a entender el origen y la naturaleza de la materia en el universo. Resulta que cuando intentas sintonizar algunas de las señales más débiles del universo, ayuda hacer que tus instrumentos sean muy silenciosos.

Around the world más de una docena de equipos están escuchando los estallidos y el chisporroteo electrónico que podrían significar que finalmente se han sintonizado en el canal correcto. Estos científicos e ingenieros han llegado a extremos extraordinarios para proteger sus experimentos de señales falsas creadas por radiación cósmica.

La mayoría de estos experimentos se encuentran en lugares muy inaccesibles, como un kilómetro bajo tierra en una mina de níquel en Sudbury, Ontario, Canadá, o en una mina de oro abandonada en Lead, Dakota del Sur, para protegerlos de los elementos naturalmente radiactivos en la Tierra. Sin embargo, una de las fuentes de señales falsas proviene de la radiactividad natural en los propios dispositivos electrónicos diseñados para registrar posibles señales.

Los contaminantes radiactivos, incluso en concentraciones tan pequeñas como una parte por mil millones, pueden imitar las señales elusivas que los científicos están buscando. Ahora, un equipo de investigación en el Pacific Northwest National Laboratory del Departamento de Energía, en colaboración con Q-Flex Inc., una pequeña empresa asociada en California, ha producido cables electrónicos con materiales ultrapuros.

Estos cables están especialmente diseñados y fabricados para tener niveles extremadamente bajos de los contaminantes radiactivos que no interferirán con experimentos de neutrinos y materia oscura altamente sensibles.

Los científicos informan en la revista EPJ Techniques and Instrumentation que los cables tienen aplicaciones no solo en experimentos de física, sino que también pueden ser útiles para reducir el efecto de la radiación ionizante que interfiere con las futuras computadoras cuánticas.

"Hemos desarrollado una técnica para producir cables electrónicos que son cien veces más bajos que las opciones actualmente disponibles en el mercado", dijo el investigador principal de PNNL, Richard Saldanha. "Este enfoque de fabricación y producto tiene una amplia aplicación en cualquier campo que sea sensible a la presencia incluso de niveles muy bajos de contaminantes radiactivos".

Pequeñas cantidades de elementos radiactivos de origen natural se encuentran en todas partes: en rocas, tierra y polvo flotando en el aire. La cantidad de radiación que emiten es tan baja que no representan ningún peligro para la salud, pero es suficiente para causar problemas en detectores de neutrinos y materia oscura de próxima generación.

"Típicamente, necesitamos llegar a ser un millón o incluso mil millones de veces más limpios que los niveles de contaminación que encontrarías en un pequeño trozo de suciedad o polvo", dijo Isaac Arnquist, químico de PNNL, coautor del artículo de investigación y líder del equipo de medición.

Para estos experimentos, Saldanha, Arnquist y sus colegas Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco y Tyler Schlieder evaluaron la cantidad de uranio, torio y potasio en cada paso de las docenas de etapas de procesamiento que finalmente producen un cable detector. El equipo luego desarrolló técnicas especiales de limpieza y fabricación para reducir la contaminación a niveles insignificantes. Trabajando en un laboratorio ultralimpio y libre de polvo y contaminantes, los investigadores planifican meticulosamente cada movimiento.

"Casi me considero un atleta de rendimiento porque cada movimiento que hacemos está extremadamente pensado. Es casi como si fuéramos bailarines coreografiados", dijo Arnquist. "Cuando manipulamos un material de muestra del detector, no hay un movimiento extranjero desaprovechado ni interacción con la muestra, porque esa interacción podría generar cierta contaminación que limite nuestro poder de medición de los materiales".

Después de varios años de trabajo y cientos de mediciones, los cables resultantes ahora están tan libres de contaminantes que no afectarán el funcionamiento de los detectores de materia oscura y neutrinos de próxima generación, como DAMIC-M, OSCURA y nEXO. El equipo de investigación destaca en su estudio que los cables de baja radiactividad pueden aumentar la sensibilidad de los experimentos e incluso permitir más flexibilidad en el diseño del detector.

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