I cavi silenziosi sono pronti ad aiutare a rivelare eventi rari di fisica

21 settembre 2023

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a cura di Karyn Hede, Pacific Northwest National Laboratory

Immagina di provare a sintonizzare una radio su una singola stazione ma di riscontrare invece rumore statico e segnali interferenti provenienti dalla tua stessa attrezzatura. Questa è la sfida che devono affrontare i gruppi di ricerca alla ricerca di prove di eventi estremamente rari che potrebbero aiutare a comprendere l’origine e la natura della materia nell’universo. Si scopre che quando cerchi di sintonizzarti su alcuni dei segnali più deboli dell'universo, è utile rendere i tuoi strumenti molto silenziosi.

In tutto il mondo più di una dozzina di squadre stanno ascoltando i pop e lo sfrigolio dell'elettronica, il che potrebbe significare che si sono finalmente sintonizzati sul canale giusto. Questi scienziati e ingegneri hanno fatto di tutto per proteggere i loro esperimenti dai falsi segnali creati dalle radiazioni cosmiche.

La maggior parte di questi esperimenti si svolgono in luoghi molto inaccessibili – come un miglio sottoterra in una miniera di nichel a Sudbury, Ontario, Canada, o in una miniera d’oro abbandonata a Lead, South Dakota – per proteggerli dagli elementi naturalmente radioattivi sulla Terra. Tuttavia, una di queste fonti di segnali falsi proviene dalla radioattività naturale presente negli stessi componenti elettronici progettati per registrare potenziali segnali.

I contaminanti radioattivi, anche a concentrazioni minime come una parte per miliardo, possono imitare i segnali sfuggenti che gli scienziati stanno cercando. Ora, un gruppo di ricerca presso il Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, in collaborazione con Q-Flex Inc., un piccolo partner commerciale in California, ha prodotto cavi elettronici con materiali ultra puri.

Questi cavi sono appositamente progettati e realizzati per avere livelli estremamente bassi di contaminanti radioattivi da non interferire con gli esperimenti altamente sensibili sui neutrini e sulla materia oscura.

Gli scienziati riferiscono sulla rivista EPJ Techniques and Instrumentation che i cavi hanno applicazioni non solo negli esperimenti di fisica, ma potrebbero anche essere utili per ridurre l'effetto delle radiazioni ionizzanti che interferiscono con i futuri computer quantistici.

"Abbiamo aperto la strada a una tecnica per produrre cavi elettronici che sono cento volte inferiori rispetto alle attuali opzioni disponibili in commercio", ha affermato il ricercatore principale del PNNL Richard Saldanha. "Questo approccio produttivo e questo prodotto hanno un'ampia applicazione in qualsiasi campo sensibile alla presenza anche di livelli molto bassi di contaminanti radioattivi."

Piccole quantità di elementi radioattivi presenti in natura si trovano ovunque: nelle rocce, nella terra e nella polvere fluttuanti nell'aria. La quantità di radiazioni che emettono è così bassa che non rappresentano alcun pericolo per la salute, ma è comunque sufficiente a causare problemi ai rilevatori di neutrini e di materia oscura di prossima generazione.

"In genere abbiamo bisogno di diventare un milione o talvolta un miliardo di volte più puliti rispetto ai livelli di contaminazione che si troverebbero in un piccolo granello di sporco o polvere", ha affermato il chimico del PNNL Isaac Arnquist, coautore dell'articolo di ricerca e guidato il gruppo di misurazione. .

Per questi esperimenti, Saldanha, Arnquist e i colleghi Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco e Tyler Schlieder hanno valutato la quantità di uranio, torio e potassio in ciascuna fase della dozzina di fasi di lavorazione che alla fine producono un cavo rivelatore. Il team ha poi sviluppato speciali tecniche di pulizia e fabbricazione per ridurre la contaminazione fino a livelli insignificanti. Lavorando in un laboratorio ultrapulito, privo di polvere e contaminanti, i ricercatori pianificano meticolosamente ogni loro mossa.

'Penso quasi a noi come atleti performanti perché tutto, ogni movimento che facciamo, è estremamente pensato. È quasi come se fossimo ballerini di una coreografia", ha detto Arnquist. "Quando maneggiamo il materiale campione di un rilevatore, non si verificano movimenti estranei o interazioni con il campione perché tale interazione potrebbe impartire una certa contaminazione che limita la capacità di misurare i materiali."

Dopo diversi anni di lavoro e centinaia di misurazioni, i cavi risultanti sono ora così privi di contaminanti che non avranno alcun impatto sul funzionamento degli esperimenti di prossima generazione sulla materia oscura e sui neutrini come DAMIC-M, OSCURA e nEXO. Nel loro studio il gruppo di ricerca sottolinea che i cavi a bassa radioattività possono aumentare la sensibilità degli esperimenti e persino consentire una maggiore flessibilità nella progettazione del rilevatore.

Allora, cosa stanno cercando esattamente i ricercatori in questi esperimenti? Nel caso sia della materia oscura che del doppio decadimento beta senza neutrini, sperano di registrare eventi estremamente rari che potrebbero risolvere due misteri chiave dell’universo. Entrambi questi misteri pongono domande fondamentali sul perché l’universo appare in questo modo.

Le galassie che riempiono il nostro universo non si sarebbero formate senza l’esistenza della materia oscura. La materia oscura costituisce circa l’85% della materia dell’universo, eppure non abbiamo mai osservato direttamente la materia oscura, ma solo la sua impronta gravitazionale sull’universo. Forse la cosa più intrigante è che la questione del perché esista materia nell’universo potrebbe dipendere da una proprietà unica delle più piccole particelle di materia conosciute: il neutrino.

A differenza di tutte le altre particelle fondamentali, i neutrini potrebbero interagire sia come materia che come antimateria. Se fosse vero, ciò potrebbe provocare un decadimento nucleare estremamente raro chiamato decadimento doppio beta senza neutrini. Gli scienziati stanno costruendo grandi esperimenti costituiti da molte tonnellate di materiale sensibile con la speranza di trovare la prima prova del doppio decadimento beta senza neutrini entro il prossimo decennio.

"Ogni passo che facciamo per eliminare la radioattività interferente ci avvicina alla ricerca di prove dell'esistenza della materia oscura o del decadimento doppio beta senza neutrini", ha affermato Saldanha.

"Questi cavi flessibili hanno molti percorsi conduttivi, necessari per leggere segnali complessi," ha aggiunto Arnquist. "Quando, ad esempio, la materia oscura interagisce con il rilevatore o si verifica un doppio decadimento beta senza neutrini, si creerà un evento che dovrà essere accuratamente registrato, letto ad alta voce, per poter effettuare la scoperta. Dobbiamo inserire nel cuore del rilevatore una parte elettronica complessa che sia estremamente priva di elementi radioattivi.'

"Le ricerche di prossima generazione sul doppio decadimento beta senza neutrini saranno tra gli esperimenti con la radioattività più bassa mai realizzati", ha affermato David Moore, fisico dell'Università di Yale e collaboratore del PNNL.

"Questi rilevatori utilizzano materiali così puri che anche una piccola quantità di normali materiali di cablaggio potrebbe sopraffare la radioattività dell'intero resto del rilevatore, quindi sviluppare cavi a bassissimo fondo per leggere tali rilevatori rappresenta una sfida importante." Questo recente lavoro di PNNL e Q-Flex è fondamentale per abilitare questi rilevatori e ridurrà il cablaggio a una piccola frazione di ciò che era possibile con le tecnologie precedenti.'

È già in corso la pianificazione per aggiornare l’esperimento altamente sensibile sulla materia oscura DAMIC-M e i nuovi cavi ultra puri rappresentano uno dei miglioramenti chiave previsti per l’installazione nel rilevatore.

"Un componente che non possiamo evitare nel nostro rilevatore sono i cavi che trasmettono i segnali, che devono avere una radioattività molto bassa", ha affermato Alvaro E Chavarria, fisico dell'Università di Washington e collaboratore del progetto DAMIC-M. .

“Prima di questo recente sviluppo del PNNL, la soluzione migliore erano i cavi microcoassiali, che trasportano troppo pochi segnali e avrebbero richiesto una significativa riprogettazione del nostro rilevatore. Questo sviluppo è estremamente entusiasmante, poiché consente l'uso della tecnologia del circuito flessibile standard del settore per applicazioni a basso background.'

Recenti risultati di ricerche condotte da scienziati del PNNL e altri collaboratori indicano che le prestazioni di alcuni dispositivi di calcolo quantistico possono essere influenzate dalla presenza di tracce di contaminanti radioattivi. Sebbene la radioattività non sia attualmente ciò che limita le capacità dei computer quantistici esistenti, è possibile che i dispositivi quantistici del futuro potrebbero aver bisogno di cavi a bassa radioattività per migliorare le loro prestazioni.

"Vediamo il potenziale per questi cavi di trovare applicazioni in un'ampia gamma di rilevatori di radiazioni sensibili e forse in altre applicazioni come l'informatica quantistica", ha affermato Saldanha.

Fornito dal Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale