超純銅，用於超敏感暗物質探測器

SNOBOX是用於檢測超CDMS實驗暗物質粒子的裝置，它將使用類似於這個的嵌套銅箱，該銅箱在蘇丹的祖代CDMS實驗中使用過。來源：丹·鮑爾，費米拉布

2月和3月，三批銅板運抵費米實驗室，被衝進地下100米處的倉庫。銅在芬蘭開採，在德國捲成板，在120天內通過陸地和海路運到實驗室。在探測暗物質的過程中，這種神秘物質佔宇宙中物質的85%，每天銅在地面上被花費在物質上。

費米實驗室科學家丹·鮑爾說："在地球表面，我們處於宇宙射線的陣雨中。

當這些來自太空的高能粒子撞擊銅原子時，它們可以敲出質子和中子，產生另一個叫做鈷-60的原子。鈷-60具有放射性，這意味著它是不穩定的，並自發地衰變成其他粒子。轉化為鈷的銅原子數量極小，對銅的日常使用沒有影響。但鮑爾和其他從事超級低溫暗物質搜索工作的人必須採取嚴厲措施，確保他們使用的銅儘可能純淨。

SuperCDMS將在加拿大安大略省薩德伯裡附近的地下實驗室SNOLAB尋找暗物質。銅板最終將形成六個超大的汽水罐的形狀，像築巢娃娃一樣排列。最內層的可以存儲用於檢測假設弱相互作用的大量粒子或WIMP的鈾和矽器件，尤其是那些質量小於質子質量10倍的微晶矽。真空密封的最外層可以測量直徑超過一米。整個裝置，被稱為SNOBOX，將連接通過一組銅莖到一個特殊的冰箱，將冷卻探測器到絕對零的一小部分度。

在如此寒冷的溫度下，熱振動非常小，因此WIMP在與原子碰撞時可能會留下可探測的信號。

但是"你正在尋找一個在海撈暗物質的針，"鮑爾說。"你得到的最好的可能是每年一些活動。

超純銅板將塑造成嵌套的鋼箱，如 SNOBOX 設計的切口所示。中心六邊形孔將容納暗物質探測器。來源：超級CDMS協作

同時，通過超級CDMS探測器飛行的普通物質粒子可能會產生無關的特徵，稱為背景，這些特徵會淹沒暗物質相互作用的信號。

將 SuperCDMS 埋在地下兩公裡處，將 SNOBOX 包裹在鉛層、塑料和水層中，將篩選出環境中幾乎所有不需要的顆粒。但是，銅管和探測器之間沒有什麼。雖然銅的優越傳輸熱量能力使其成為冷卻探測器的理想之選，但金屬中的任何放射性雜質都會釋放出背景顆粒。

這讓我們回到鈷-60。

"底線是，銅在表面暴露在宇宙射線下的時間越長，產生的鈷-60就更多了，"費米實驗室的MatmatsHollister解釋道，他是超級CDMS低溫系統的經理。因此，實驗的背景預算的一部分包括表面曝光的時間限制。

鈷-60並不是唯一需要擔心的雜質。鈾、鈽和鉀的放射性同位素自然存在於地殼中，因此 SuperCDMS 團隊不得不購買從礦井中開採的銅，這些金屬儘可能少。非放射性雜質也很重要，它們會降低銅的導熱能力，從而使探測器更加寒冷。SuperCDMS 的銅總量必須超過 99.99%， 放射性雜質的含量不到 0.1。

在內在雜質和通過切割、滾動和運輸銅引入的雜質之間，現在位於費米實驗室地下的板材並不十分原始。

穿越大西洋後，SuperCDMS的銅板被送到印第安納州南本德的一家工廠，然後被送到費米實驗室儲存在地下。來源：盧克·馬丁，費米拉布

霍利斯特說："很多過程不是我們直接控制的事情。"有些真的是黑暗中一槍， 關於我們將在一天結束的時候會有什麼結果。

在收到這些板材後，研究人員將樣品送到美國能源部的太平洋西北國家實驗室進行詳細測試，以量化剩餘的雜質。很快，板將離開費米拉布進行製造，鈷鍾將再次滴答作響，直到鐵把到達他們在SNOLAB的家。

鮑爾說："我們把它們帶到地下的最後一步是用酸蝕刻噴灑，這種蝕刻會從表面掉下幾十微米。

過氧化氫和稀釋的鹽酸溶液將去除製造過程中積聚的任何表面雜質。弱檸檬酸溶液通過保護銅在實驗過程中不氧化，保持銅的高導熱性。

SuperCDMS 協作計劃於 2022 年開始收集數據。總之，這次實驗的迭代目標是背景水平比其前身低100倍，這在很大程度上要歸功於銅的純度。隨著靈敏度的提高，研究人員希望發現附近可能擁有的任何低質量的WIM。

霍利斯特說："這個項目已經開發很長時間了，所以很高興看到它開始走到一起。"SNOBOX 真的是最後一個主要部分，因此我們期待安裝此內容並儘快投入使用。

SuperCDMS關於暗物質的研究得到了美國能源部科學辦公室和國家科學基金會以及加拿大創新和SNOLAB基金會的支持。