Des câbles silencieux sont prêts à aider à révéler des événements rares en physique.

21 septembre 2023

Cet article a été examiné selon le processus éditorial et les politiques scientifiques de Science X. Les éditeurs ont mis en évidence les attributs suivants tout en veillant à la crédibilité du contenu :

• véifié par des faits
• source de confiance
• relecture

par Karyn Hede, Pacific Northwest National Laboratory

Imaginez essayer d'accorder une radio sur une seule station mais rencontrer plutôt du bruit statique et des signaux parasites de votre propre équipement. C'est le défi auquel font face les équipes de recherche à la recherche de preuves d'événements extrêmement rares qui pourraient aider à comprendre l'origine et la nature de la matière dans l'univers. Il s'avère que lorsque vous essayez de vous accorder sur certains des signaux les plus faibles de l'univers, il est utile de rendre vos instruments très silencieux.

À travers le monde, plus d'une douzaine d'équipes écoutent les crépitements et les grésillements électroniques qui pourraient signifier qu'elles sont enfin accordées sur la bonne fréquence. Ces scientifiques et ingénieurs ont fait des efforts extraordinaires pour protéger leurs expériences des faux signaux créés par les radiations cosmiques.

La plupart de ces expériences se trouvent dans des endroits très inaccessibles, comme une mine de nickel à un kilomètre sous terre à Sudbury, en Ontario, Canada, ou une mine d'or abandonnée à Lead, dans le Dakota du Sud, pour les protéger des éléments radioactifs naturels sur Terre. Cependant, l'une des sources de faux signaux provient de la radioactivité naturelle des composants électroniques conçus pour enregistrer les signaux potentiels.

Les contaminants radioactifs, même à des concentrations aussi minuscules qu'une partie par milliard, peuvent imiter les signaux insaisissables que les scientifiques recherchent. Maintenant, une équipe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory du Département de l'énergie, en collaboration avec Q-Flex Inc., une petite entreprise partenaire en Californie, a produit des câbles électroniques avec des matériaux ultra-purs.

Ces câbles sont spécialement conçus et fabriqués pour avoir des niveaux extrêmement faibles de contaminants radioactifs qui n'interféreront pas avec les expériences sur les neutrinos et la matière noire hautement sensibles.

Les scientifiques rapportent dans la revue EPJ Techniques and Instrumentation que les câbles ont des applications non seulement dans les expériences de physique, mais ils peuvent également être utiles pour réduire l'effet des rayonnements ionisants qui interfèrent avec les futurs ordinateurs quantiques.

"Nous avons mis au point une technique pour produire des câbles électroniques cent fois plus propres que les options commercialement disponibles actuellement", a déclaré Richard Saldanha, chercheur principal du PNNL. "Cette approche de fabrication et ce produit ont une large application dans tous les domaines sensibles à la présence de contaminants radioactifs, même à des niveaux très faibles."

De petites quantités d'éléments radioactifs naturellement présents sont présentes partout : dans les roches, la saleté et la poussière flottant dans l'air. La quantité de rayonnement qu'ils émettent est si faible qu'ils ne posent aucun danger pour la santé, mais c'est encore suffisant pour poser des problèmes aux détecteurs de neutrinos et de matière noire de nouvelle génération.

"Nous devons généralement être un million, voire parfois un milliard de fois plus propres que les niveaux de contamination que l'on trouve dans un petit grain de saleté ou de poussière", a déclaré Isaac Arnquist, chimiste du PNNL, co-auteur de l'article de recherche et responsable de l'équipe de mesure.

Pour ces expériences, Saldanha, Arnquist et leurs collègues Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco et Tyler Schlieder ont évalué la quantité d'uranium, de thorium et de potassium à chaque étape des douze ou plus de phases de traitement qui aboutissent finalement à la fabrication d'un câble de détecteur. L'équipe a ensuite mis au point des techniques spéciales de nettoyage et de fabrication pour réduire la contamination à des niveaux insignifiants. Travaillant dans un laboratoire ultra-propre, sans poussière ni contaminant, les chercheurs planifient méticuleusement chacun de leurs mouvements.

"Je pense presque à nous comme à des athlètes de haut niveau parce que chaque mouvement que nous faisons est extrêmement réfléchi. C'est presque comme si nous étions des danseurs chorégraphiés", a déclaré Arnquist. "Lorsque nous manipulons un échantillon de détecteur, il n'y a aucun mouvement inutile ou interaction avec l'échantillon car cette interaction pourrait entraîner une contamination qui limite notre capacité à mesurer les matériaux."

Après plusieurs années de travail et des centaines de mesures, les câbles obtenus sont maintenant si exempts de contaminants qu'ils n'auront aucun impact sur le fonctionnement des futurs détecteurs de matière noire et de neutrinos de nouvelle génération tels que DAMIC-M, OSCURA et nEXO. L'équipe de recherche souligne dans leur étude que les câbles à faible radioactivité peuvent augmenter la sensibilité des expériences et permettre même plus de flexibilité dans la conception des détecteurs.

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