99.99%！必須純

為超低溫暗物質探測實驗設計的SNOBOX將配備銅嵌套。

在今年二、三月，三批銅板到達美國費米實驗室並被緊急儲存，它們在暗物質的探索過程中扮演著關鍵角色。暗物質是一種神秘的物質，在宇宙物質中的佔比高達85%。當這些來自太空的高能粒子撞擊銅原子時，會「踢走」一個質子和中子，產生鈷-60原子。鈷-60具有放射性，會自發衰變成其他粒子。極少量的銅原子轉化成鈷對銅的日常使用是沒有影響的，然而，對於費米實驗室的科學家而言，銅的純度卻能決定最新暗物質實驗的成敗。

研究人員將在加拿大的地下實驗室SNOLAB中開展暗物質搜尋工作。為此，他們用超純銅製造了一種嵌套的易拉罐狀裝置SNOBOX——最內側的銅罐裝有鍺-矽器件，可以用於探測假設的弱相互作用大質量粒子（WIMPs），而與SNOBOX相連的特殊的冷卻裝置可以將系統溫度降低至接近絕對零度。在如此低溫下，熱振動變得非常微弱，WIMPs在與原子碰撞時會留下可探測的「蛛絲馬跡」。

SNOBOX的設計剖面圖。

普通物質粒子在穿過SCDM探測器時可能產生無關信號，將暗物質相互作用發出的信號淹沒。為了減少幹擾，研究人員在地下建立實驗室，並用鉛、塑料和水將SNOBOX層層包圍，由此過濾掉環境中大部分幹擾粒子。然而，銅材料中的任何放射性雜質都可能釋放幹擾粒子。銅暴露在宇宙射線下的時間越長，就有越多鈷-60形成。而且，鈷-60並不是唯一需要考慮的幹擾因素。由於鈾、釷和鉀的放射性同位素自然存在於地殼中，也極有可能影響實驗銅材料的純度。

因此，研究人員需儘量從規避這些元素的銅礦中購買材料。此外，非放射性雜質也會降低銅的導熱性能，導致探測器難以維持低溫環境。總體而言，SCDM項目使用的銅的純度必須超過99.99%，放射性雜質含量須低於十億分之一。

由於切割、軋制和運輸都可能引入雜質，費米實驗室地下實驗室中的銅板並不是絕對純淨。對此，工作人員採取了重重措施全力控制，如：酸蝕刻。隨著實驗靈敏度的提高，研究人員希望能發現附近可能存在的任何低質量WIMPs。

費米實驗室研究人員、SCDM探測系統負責人Matthew Hollister表示：「SNOBOX是我們啟動SCDM項目的關鍵。我們期待著它能儘快完成安裝並正常運行。」

原創編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

原文連結：https://phys.org/news/2020-10-ultrapure-copper-ultrasensitive-dark-detector.html

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