В феврале и марте три партии медных пластин прибыли в Fermilab и были брошены на хранение в 100 метрах под землей. Медь была добыта в Финляндии, скатана в листы в Германии и отправлена по суше и морю в лабораторию—и все это в течение 120 дней. В стремлении обнаружить темную материю, таинственное вещество, составляющее 85% материи во Вселенной, каждый день, который медь проводила над землей, имел значение.
На поверхности Земли мы находимся в потоке космических лучей, говорит ученый Fermilab's Dan Bauer.
Когда эти высокоэнергетические частицы, происходящие из космоса, ударяются об атом меди, они могут выбить протоны и нейтроны, чтобы произвести другой атом, называемый кобальт-60. Кобальт-60 радиоактивен, а это значит, что он нестабилен и самопроизвольно распадается на другие частицы. Ничтожное число атомов меди, превращенных в кобальт, никак не влияет на повседневное использование меди. Но Bauer и другие, работающие над поиском сверх криогенной темной материи, должны предпринять решительные шаги, чтобы гарантировать, что медь, которую они используют, настолько чиста, насколько это возможно.
Медные пластины в конечном итоге примут форму шести огромных банок из-под содовой, расположенных как матрешки. В самой внутренней банке будут размещены германиевые и кремниевые устройства, предназначенные для обнаружения гипотетически слабо взаимодействующих массивных частиц, или слабых частиц, особенно тех, которые менее чем в 10 раз превышают массу протона. Вакуумная герметичная внешняя банка будет измерять чуть больше метра в диаметре. Вся эта штуковина, получившая название SNOOKS, будет соединена с помощью набора медных стержней со специальным холодильником, который охладит детекторы до крошечной доли градуса выше абсолютного нуля.
При таких холодных температурах тепловые колебания настолько малы, что может оставить заметный сигнал при столкновении с атомом.
Между тем, обычные частицы материи, пролетающие через детекторы супер конденсаторов, могут создавать посторонние сигнатуры, известные как фон, который заглушит сигналы от взаимодействий темной материи.
Закопав супер-конденсаторы на два километра под землю и заключив SNOOKS в слои свинца, пластика и воды, вы отсеете почти все нежелательные частицы в окружающей среде. Но между медными банками и детекторами ничего нет. И хотя превосходная способность меди переносить тепло делает ее идеальной для охлаждения детекторов, любые радиоактивные примеси в металле будут выделять фоновые частицы.
Это возвращает нас к кобальту-60.
Суть в том, что чем дольше медь находится на поверхности, подвергаясь воздействию космических лучей, тем больше образуется кобальта-60. Таким образом, часть бюджета эксперимента включает в себя ограничение по времени воздействия на поверхность.
Кобальт-60-не единственная примесь, о которой стоит беспокоиться. Радиоактивные изотопы урана, тория и калия встречаются в земной коре естественным образом, поэтому команда SuperCDMS должна была купить медь, полученную из шахты с как можно меньшим количеством этих металлов. Нерадиоактивные примеси также имеют значение—они могут уменьшить способность меди проводить тепло, что затрудняет сохранение детекторов холодными. В общей сложности медь для супер-конденсаторов должна быть более чем на 99,99% чистой с содержанием радиоактивных примесей менее 0,1 части на миллиард.
Между внутренними примесями и теми, которые вводятся через резку, прокатку и транспортировку меди, пластины, кой сейчас находятся под землей в Fermilab, не совсем чисты.
После получения пластин исследователи отправили образцы в Тихоокеанскую Северо-Западную Национальную лабораторию Министерства энергетики США для детального тестирования с целью количественного определения оставшихся примесей. Скоро пластины покинут Fermilab для изготовления, и кобальтовые часы снова будут тикать, пока банки не достигнут своего дома в SNOLAB.
Последний шаг перед тем, как мы возьмем их под землю, будет заключаться в том, чтобы опрыскать их кислотным травлением, которое снимет несколько десятков микрон поверхности, - сказал Бауэр.
Раствор перекиси водорода и разбавленной соляной кислоты удалит любые поверхностные загрязнения, накопившиеся в процессе производства. А слабый раствор лимонной кислоты сохранит высокую теплопроводность меди, защищая ее от окисления в ходе эксперимента.
Сотрудничество SuperCDMS планирует начать сбор данных в 2022 году. В целом, эта итерация эксперимента нацелена на фоновые уровни в 100 раз ниже, чем его предшественник, во многом благодаря чистоте меди.
Эта программа была довольно долго в разработке, так что приятно видеть, что она начинает собираться. SNOOKS-это действительно последняя крупная вещь, поэтому мы с нетерпением ждем, когда эта штука будет установлена и введена в эксплуатацию.
Исследования супер-конденсаторов по темной материи проводятся при поддержке Министерства науки США и Национального научного фонда, а также Канадского фонда инноваций и SNOLAB.
