Cuivre pur pour un détecteur de matière noire à ultrasons


Cuivre pur pour un détecteur de matière noire à ultrasons

Le SNOBOX – le dispositif de de particules de l’expérience SuperCDMS – utilisera des bidons de cuivre imbriqués similaires à celui utilisé dans l’expérience précurseur du CDMS au Soudan. Crédit photo: Dan Bauer, Fermilab

En février et mars, trois lots de plaques de cuivre sont arrivés au Fermilab et ont été stockés à 100 mètres sous terre. Le cuivre a été extrait en Finlande, transformé en plaques en Allemagne et amené au laboratoire par voie terrestre et maritime – le tout en 120 jours. Dans la recherche de la matière noire, la substance mystérieuse qui constitue 85% de la matière dans l’univers préoccupait chaque jour le cuivre au-dessus du sol.

«Nous sommes sous une pluie de rayons cosmiques à la surface de la terre», a déclaré Dan Bauer, scientifique du Laboratoire Fermi.

Lorsque ces particules à haute énergie de l’espace frappent un atome de cuivre, elles peuvent désactiver les protons et les neutrons pour créer un autre atome appelé cobalt-60. Le cobalt-60 est radioactif, ce qui signifie qu’il est instable et se décompose spontanément en d’autres particules. Le petit nombre d’atomes de cuivre qui sont convertis en cobalt n’affecte pas l’utilisation quotidienne du cuivre. Mais Bauer et d’autres qui travaillent pour trouver de la matière noire super cryogénique doivent prendre des mesures drastiques pour s’assurer que le cuivre qu’ils utilisent est aussi que possible.

SuperCDMS est la dernière d’une série d’expériences similaires et cherchera de la matière noire à SNOLAB, un laboratoire souterrain près de Sudbury, Ontario, Canada. Les assiettes en cuivre prendront éventuellement la forme de six canettes de boisson surdimensionnées disposées comme des poupées gigognes. À l’intérieur de la boîte la plus interne se trouvent des dispositifs en germanium et en silicium qui peuvent être utilisés pour détecter des particules massives hypothétiques à faible interaction, ou WIMP, en particulier celles qui ont moins de dix fois la masse d’un proton. La boîte la plus extérieure scellée sous vide mesure un peu plus d’un mètre de diamètre. L’ensemble de l’appareil, appelé SNOBOX, est connecté via un ensemble de bâtons de cuivre à un réfrigérateur spécial qui refroidit les détecteurs à une infime fraction de degré au-dessus du zéro absolu.

À de telles températures glaciales, les oscillations thermiques sont si faibles qu’un WIMP pourrait laisser un signal détectable en cas de collision avec un atome.

Mais « Vous cherchez une aiguille dans une botte de foin avec de la matière noire », a déclaré Bauer. « Le mieux que vous puissiez obtenir est peut-être quelques événements par an. »

Cuivre pur pour un détecteur de matière noire à ultrasons

Les plaques de cuivre de haute pureté sont formées dans des boîtes imbriquées, comme le montre cet extrait de la conception SNOBOX. Les trous hexagonaux au milieu contiennent les détecteurs de matière noire. Crédit photo: collaboration SuperCDMS

Pendant ce temps, des particules ordinaires de matière volant à travers les détecteurs SuperCDMS pourraient créer des signatures extraterrestres connues sous le nom de fond qui noyeraient les signaux d’interactions avec la matière noire.

Si vous enterrez le SuperCDMS à deux kilomètres sous terre et enfermez le SNOBOX dans des couches de plomb, de plastique et d’eau, presque toutes les particules indésirables présentes dans la zone seront protégées. Mais il n’y a rien entre les bidons de cuivre et les détecteurs. Alors que le cuivre est idéalement adapté pour refroidir les détecteurs en raison de sa capacité supérieure à transporter la chaleur, les contaminants radioactifs dans le métal émettraient des particules de fond.

Cela nous ramène au Cobalt-60.

«L’essentiel est que plus le cuivre reste longtemps à la surface et est exposé aux rayons cosmiques, plus le cobalt 60 est créé», a déclaré Matthew Hollister de Fermilab, directeur du système cryogénique SuperCDMS. « Une partie du budget de base pour l’expérience comprend donc une limite de temps pour l’exposition de surface. »

Le cobalt-60 n’est pas le seul polluant à craindre. Les isotopes radioactifs de l’uranium, du thorium et du potassium sont naturellement présents dans la croûte terrestre. Par conséquent, l’équipe SuperCDMS a dû acheter du cuivre dans une mine contenant le moins de métaux possible. Les contaminants non radioactifs jouent également un rôle – ils peuvent réduire la capacité du cuivre à conduire la chaleur, ce qui rend plus difficile le maintien au froid des détecteurs. Dans l’ensemble, le cuivre du SuperCDMS doit être pur à plus de 99,99% et contenir moins de 0,1 partie par milliard de contaminants radioactifs.

Entre les contaminations internes et celles créées par la découpe, le laminage et le transport du cuivre, les plaques qui sont maintenant sous terre dans le Fermilab ne sont pas entièrement sans défaut.

Cuivre pur pour un détecteur de matière noire à ultrasons

Après avoir traversé l’ Atlantique, les plaques de cuivre pour SuperCDMS ont été expédiées vers une installation à South Bend, Indiana, avant d’être transportées au Laboratoire Fermé pour un stockage souterrain. Crédit photo: Luke Martin, Fermilab

« Nous n’avons pas une grande partie du processus sous contrôle direct », a déclaré Hollister. « Une partie de ceci est vraiment une photo dans le noir de ce que nous allons réaliser à la fin de la journée. »

Dès réception des plaques, les chercheurs ont envoyé des échantillons au Pacific Northwest National Laboratory du département américain de l’énergie pour des tests détaillés afin de quantifier les contaminants restants. Bientôt, les plaques quittent Fermilab pour la production, et l’horloge au cobalt tourne à nouveau jusqu’à ce que les canettes atteignent leur domicile à SNOLAB.

« La dernière étape avant de les mettre sous terre est de les pulvériser avec une gravure à l’acide qui enlève quelques dizaines de micromètres de la surface », a déclaré Bauer.

Une solution de peroxyde d’hydrogène et d’acide chlorhydrique dilué élimine tous les contaminants de surface qui se sont accumulés au cours du processus de fabrication. Une solution d’acide citrique faible préserve la conductivité thermique élevée du cuivre en le protégeant de l’oxydation au cours de l’expérience.

La collaboration SuperCDMS prévoit de commencer la collecte de données à partir de 2022. Globalement, cette itération de l’expérience vise à avoir des valeurs de fond 100 fois inférieures à la précédente, en grande partie grâce à la pureté du cuivre. Avec la sensibilité accrue, les chercheurs espèrent détecter des WIMP de faible masse dans le quartier.

«Ce programme est en développement depuis longtemps, il est donc bon de le voir se mettre en place», a déclaré Hollister. « Le SNOBOX est vraiment la dernière grande pièce. Nous sommes impatients d’installer cette chose et de la rendre opérationnelle dès que possible. »

La recherche du SuperCDMS sur la matière noire est soutenue par le Bureau de la science du DOE et la National Science Foundation, ainsi que par la Fondation canadienne pour l’innovation et SNOLAB.


Gardez les détecteurs de matière noire propres et précis


Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs Fermi

Citation: Cuivre pur pour un de matière noire à ultrasons (30 octobre 2020), consulté le 31 octobre 2020 sur https://phys.org/news/2020-10-ultrapure-copper-ultrasensitive-dark-detector.html

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