Представьте себе, что вы пытаетесь настроить радио на одну станцию, но вместо этого сталкиваетесь со статическим шумом и мешающими сигналами от вашего собственного оборудования. Это задача, с которой сталкиваются исследовательские группы, ищущие доказательства чрезвычайно редких событий, которые могли бы помочь понять происхождение и природу материи во Вселенной. Оказывается, когда вы пытаетесь настроиться на самые слабые сигналы Вселенной, это помогает сделать ваши инструменты очень тихими.

По всему миру более дюжины команд прислушиваются к поп-музыке и электронной музыке, что может означать, что они наконец-то настроились на правильный канал. Эти ученые и инженеры приложили огромные усилия, чтобы оградить свои эксперименты от ложных сигналов, создаваемых космическим излучением .

Большинство таких экспериментов проводятся в очень труднодоступных местах — например, на глубине мили под землей в никелевом руднике в Садбери, Онтарио, Канада, или в заброшенном золотом руднике в Лиде, Южная Дакота — чтобы защитить их от естественных радиоактивных элементов на Земле. Однако одним из таких источников ложных сигналов является естественная радиоактивность в самой электронике, предназначенной для записи потенциальных сигналов.

Радиоактивные загрязнители, даже в таких крошечных концентрациях, как одна часть на миллиард, могут имитировать неуловимые сигналы, которые ищут ученые. Теперь исследовательская группа Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики в сотрудничестве с Q-Flex Inc., партнером по малому бизнесу в Калифорнии, произвела электронные кабели из сверхчистых материалов.

Эти кабели специально разработаны и изготовлены так, чтобы иметь настолько низкий уровень радиоактивных загрязнений, что они не будут мешать высокочувствительным экспериментам с нейтрино и темной материей.

Ученые сообщают в журнале EPJ Techniques and Instrumentation , что кабели найдут применение не только в физических экспериментах, но также могут быть полезны для уменьшения эффекта ионизирующего излучения, мешающего работе будущих квантовых компьютеров.

«Мы разработали технологию производства электронных кабелей, стоимость которых в сто раз ниже, чем нынешние коммерчески доступные варианты», — сказал главный исследователь PNNL Ричард Салдана. «Этот производственный подход и продукт имеют широкое применение в любой области, которая чувствительна к присутствию даже очень низких уровней радиоактивных загрязнений».

Сверхтихий хореографический балет

Небольшие количества встречающихся в природе радиоактивных элементов встречаются повсюду: в камнях, грязи и пыли, плавающей в воздухе. Количество радиации, которую они испускают, настолько мало, что не представляет никакой опасности для здоровья, но этого все же достаточно, чтобы вызвать проблемы для детекторов нейтрино и темной материи нового поколения.

«Обычно нам нужно добиться уровня загрязнения в миллион, а иногда и в миллиард раз выше уровня загрязнения, который можно обнаружить в небольшом пятнышке грязи или пыли», — сказал химик PNNL Исаак Арнквист, который был соавтором исследовательской статьи и возглавлял группу измерений. .

В ходе этих экспериментов Салданья, Арнквист и их коллеги Мария Лаура ди Вакри, Николь Рокко и Тайлер Шлидер оценивали количество урана, тория и калия на каждом этапе из дюжины или около того этапов обработки, которые в конечном итоге производят детекторный кабель . Затем команда разработала специальные методы очистки и изготовления, позволяющие снизить загрязнение до незначительного уровня. Работая в сверхчистой, свободной от пыли и загрязнений лаборатории, исследователи тщательно планируют каждый свой шаг.

«Я почти думаю о нас как о спортсменах, потому что все, каждое движение, которое мы делаем, чрезвычайно продумано. Мы почти как танцоры, поставленные хореографией», — сказал Арнквист. «Когда мы работаем с материалом образца детектора, не происходит ненужных посторонних движений или взаимодействия с образцом, поскольку это взаимодействие может привести к некоторому загрязнению, которое ограничивает эффективность измерения материалов».

После нескольких лет работы и сотен измерений полученные кабели теперь настолько свободны от загрязнений, что не будут влиять на работу экспериментов с темной материей и нейтрино следующего поколения, таких как DAMIC- M , OSCURA и nEXO. Исследовательская группа отмечает в своем исследовании, что кабели с низкой радиоактивностью могут повысить чувствительность экспериментов и даже обеспечить большую гибкость в конструкции детектора.

Приближаемся к моменту «а-ха»

Итак, что же именно исследователи ищут в этих экспериментах? В случае как темной материи, так и безнейтринного двойного бета-распада они надеются зарегистрировать чрезвычайно редкие события, которые могли бы раскрыть две ключевые загадки Вселенной. Обе эти загадки ставят фундаментальные вопросы о том, почему Вселенная выглядит именно так.

Галактики, заполняющие нашу Вселенную, не могли бы образоваться без существования темной материи. Темная материя составляет около 85% материи Вселенной, и тем не менее, мы никогда не наблюдали темную материю напрямую, а только ее гравитационный отпечаток во Вселенной. Возможно, еще более интригующим является то, что вопрос о том, почему вообще существует материя во Вселенной, может зависеть от уникального свойства мельчайших известных частиц материи — нейтрино.

В отличие от всех других фундаментальных частиц, нейтрино могут взаимодействовать как с материей, так и с антиматерией. Если это правда, то это может привести к чрезвычайно редкому ядерному распаду, называемому безнейтринным двойным бета-распадом. Ученые строят большие эксперименты, состоящие из многих тонн чувствительного материала, в надежде найти первые доказательства безнейтринного двойного бета-распада в течение следующего десятилетия.

«Каждый шаг, который мы предпринимаем для устранения мешающей радиоактивности, приближает нас к поиску доказательств существования темной материи или безнейтринного двойного бета-распада», — сказал Салданья.

«Эти гибкие кабели имеют множество проводящих путей, которые необходимы для считывания сложных сигналов», — добавил Арнквист. «Когда, скажем, темная материя взаимодействует с детектором или происходит безнейтринный двойной бета-распад, возникает событие, которое необходимо точно записать — считывать — чтобы сделать открытие. Нам нужно поместить сложную электронную часть, которая чрезвычайно чистая от радиоактивных элементов в сердце детектора».

«Поиски следующего поколения безнейтринного двойного бета-распада будут одними из экспериментов с самой низкой радиоактивностью, когда-либо проводившихся», — сказал Дэвид Мур, физик Йельского университета и сотрудник PNNL.

«В этих детекторах используются настолько чистые материалы, что даже небольшое количество обычных кабельных материалов может подавить радиоактивность всей остальной части детектора, поэтому разработка кабелей со сверхнизким фоном для считывания показаний таких детекторов является серьезной проблемой. PNNL и Q-Flex являются ключом к использованию этих детекторов и уменьшат необходимость прокладки кабелей до небольшой доли того, что было возможно при использовании предыдущих технологий».

Уже ведется планирование модернизации высокочувствительного эксперимента с темной материей DAMIC-M, и новые сверхчистые кабели являются одним из ключевых усовершенствований, запланированных для установки в детектор.

«Один компонент, которого мы не можем избежать в нашем детекторе, — это кабели, передающие сигналы, которые должны иметь очень низкую радиоактивность», — сказал Альваро Чаваррия, физик из Вашингтонского университета и участник проекта DAMIC-M.

«До недавней разработки PNNL лучшим решением были микрокоаксиальные кабели, которые передают слишком мало сигналов и потребовали бы существенной модернизации нашего детектора . Эта разработка очень интересна, поскольку она позволяет использовать стандартную для отрасли гибкую схему. технология для низкофоновых приложений».

Результаты недавних исследований ученых PNNL и других сотрудников показывают, что на производительность некоторых квантовых вычислительных устройств может влиять присутствие следов радиоактивных загрязнений. Хотя радиоактивность в настоящее время не является тем, что ограничивает возможности существующих квантовых компьютеров, вполне возможно, что квантовым устройствам будущего потребуются кабели с низкой радиоактивностью для повышения их производительности.

«Мы видим, что эти кабели могут найти применение в широком спектре чувствительных детекторов радиации и, возможно, в других приложениях, таких как квантовые вычисления», — сказал Салданья.