用於超靈敏暗物質探測器的超純銅材料

2020-11-02 技術力量


超級低溫暗物質搜索裝置

今年2月和3月，三批銅板運抵美國費米實驗室，並被放置在地下100米處儲存。這些銅在芬蘭開採，在德國軋製成銅板，然後萬裡迢迢運到實驗室。在探尋暗物質的過程中，銅非常重要。

費米實驗室科學家丹·鮑爾說："在地球表面，我們正處於宇宙射線的沐浴之中。"

當這些源自太空的高能粒子擊中銅原子時，它們可以擊潰質子和中子，產生另一種叫做鈷-60的原子。鈷-60具有放射性，這意味著它是不穩定的，會自發地衰變成其它粒子。轉化成鈷的銅原子數量微乎其微，對銅的日常用途沒有影響。但鮑爾等研究人員必須採取嚴厲的措施，以確保他們使用的銅是儘可能純的。

超級低溫暗物質搜索裝置結構圖

作為類似實驗系列中最新的一個，「超級低溫暗物質搜索」項目將在加拿大安大略省薩德伯裡附近的地下實驗室尋找暗物質。銅板最終將呈現出六個超大蘇打水罐的形狀，像嵌套娃娃一樣排列。最裡面的罐子將放置鍺和矽設備，旨在探測假設的弱相互作用的大質量粒子，特別是那些質量小於質子10倍的粒子。最外層的真空密封罐的直徑將超過一米。整個裝置，被稱為SNOBOX，將通過一組銅莖連接到一個特殊的冰箱，將探測器冷卻到絕對零度以上一點。

在如此寒冷的溫度下，熱振動非常小，以至於弱相互作用的大質量粒子與原子碰撞後可能會留下可探測的信號。

鮑爾說： "我們是在大海撈針，最好的情況是每年可能會發生幾起事件。"

同時，飛過超級低溫暗物質搜索探測器的普通物質粒子可能會產生無關的信號，即背景粒子，這將淹沒暗物質相互作用的信號。


超純銅板將被塑造成嵌套罐，如這張SNOBOX設計的剖面圖所示。中心的六邊形孔將放置暗物質探測器

將超級低溫暗物質搜索探測器埋在地下兩公裡處，並將SNOBOX裝置包裹在鉛、塑料和水的層中，就可以屏蔽掉環境中幾乎所有不需要的顆粒。但在銅罐和探測器之間沒有任何東西可以阻擋。而銅優越的傳熱能力使其成為冷卻探測器的理想材料，但金屬中的任何放射性雜質都會釋放出背景粒子。

這回到了鈷-60的問題上。費米實驗室的低溫系統負責人馬修·霍利斯特解釋說："銅在表面上暴露在宇宙射線下的時間越長，產生的鈷-60就越多。"

鈷-60不是唯一需要擔心的雜質。放射性同位素鈾、釷和鉀自然存在於地殼中，所以超級低溫暗物質搜索探測器團隊必須購買來自於礦山的銅，這些銅的純度金儘可能高。非放射性雜質也很重要，原因是它們會降低銅的導熱能力，從而使探測器難以保持低溫。總的來說，用於超級低溫暗物質搜索探測器的銅的純度必須超過99.99%，放射性雜質的含量必須低於十億分之0.1。

在固有雜質和通過切割、軋制和運輸銅引入的雜質之間，現在放在Fermilab地下的銅板並不是很純淨。


銅板被運送到印第安納州南本德的一家工廠，然後被帶到費米實驗室的地下儲存

在收到板子後，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，這些板子將離開費米實驗室進行製造，然後抵達最終的裝置。

鮑爾說："在我們把它們帶到地下之前的最後一步將是用酸蝕劑噴灑它們，這將脫掉一些幾十微米的表面。"

雙氧水和稀鹽酸溶液將去除製造過程中積累的任何表面雜質。而弱檸檬酸溶液將在實驗過程中保護銅不被氧化，從而保持銅的高導熱性。

超級低溫暗物質搜索探測器計劃在2022年開始收集數據。實驗迭代的目標是背景粒子水平比前代低100倍，這在很大程度上得益於銅的純度。隨著靈敏度的提高，研究人員希望能夠發現任何可能在附近的大質量弱相互作用粒子。

霍利斯特說："這個項目已經開發了相當長的時間，所以很高興看到它開始整合在一起。SNOBOX真的是最後一個主要部件，所以我們期待著儘快安裝好這個東西，並讓它投入使用。"

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