Leise Kabel helfen dabei, seltene physikalische Ereignisse aufzudecken

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Radio auf einen einzelnen Sender einzustellen, stoßen aber stattdessen auf statisches Rauschen und Störsignale von Ihren eigenen Geräten. Das ist die Herausforderung, vor der Forschungsteams stehen, die nach Beweisen für extrem seltene Ereignisse suchen, die helfen könnten, den Ursprung und die Natur der Materie im Universum zu verstehen. Es stellt sich heraus, dass es beim Versuch, einige der schwächsten Signale des Universums zu empfangen, hilfreich ist, die Instrumente sehr leise zu machen.

Auf der ganzen Welt lauschen mehr als ein Dutzend Teams auf das Knallen und elektronische Zischen, das bedeuten könnte, dass sie endlich den richtigen Kanal eingestellt haben. Diese Wissenschaftler und Ingenieure haben außergewöhnliche Anstrengungen unternommen, um ihre Experimente vor falschen Signalen zu schützen, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden.

Die meisten dieser Experimente finden an sehr unzugänglichen Orten statt – etwa eine Meile unter der Erde in einer Nickelmine in Sudbury, Ontario, Kanada, oder in einer verlassenen Goldmine in Lead, South Dakota –, um sie vor natürlich radioaktiven Elementen auf der Erde zu schützen. Eine solche Quelle gefälschter Signale ist jedoch die natürliche Radioaktivität in der Elektronik, die für die Aufzeichnung potenzieller Signale konzipiert ist.

Radioaktive Schadstoffe können selbst in Konzentrationen von nur einem Teil pro Milliarde die schwer fassbaren Signale nachahmen, nach denen Wissenschaftler suchen. Jetzt hat ein Forschungsteam am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums in Zusammenarbeit mit Q-Flex Inc., einem Kleinunternehmenspartner in Kalifornien, elektronische Kabel aus hochreinen Materialien hergestellt.

Diese Kabel sind speziell so konzipiert und hergestellt, dass sie einen so extrem geringen Gehalt an radioaktiven Schadstoffen aufweisen, dass sie hochempfindliche Experimente mit Neutrinos und dunkler Materie nicht beeinträchtigen.

Die Wissenschaftler Bericht im Journal EPJ-Techniken und Instrumentierung dass die Kabel nicht nur in physikalischen Experimenten Anwendung finden, sondern auch nützlich sein könnten, um die Auswirkungen ionisierender Strahlung zu reduzieren, die zukünftige Quantencomputer stören.

„Wir haben eine Technik zur Herstellung elektronischer Verkabelungen entwickelt, die hundertmal niedriger ist als derzeit im Handel erhältliche Optionen“, sagte PNNL-Hauptforscher Richard Saldanha. „Dieser Herstellungsansatz und dieses Produkt finden breite Anwendung in allen Bereichen, in denen selbst sehr geringe Mengen radioaktiver Schadstoffe empfindlich sind.“

Ein ultra-ruhiges choreografiertes Ballett

Kleine Mengen natürlich vorkommender radioaktiver Elemente kommen überall vor: in Gesteinen, Schmutz und Staub, der in der Luft schwebt. Die Strahlungsmenge, die sie aussenden, ist zwar so gering, dass sie keine Gefahr für die Gesundheit darstellt, reicht aber dennoch aus, um den Neutrino- und Dunkle-Materie-Detektoren der nächsten Generation Probleme zu bereiten.

„Wir müssen normalerweise eine Million oder manchmal eine Milliarde Mal sauberer werden als die Kontaminationswerte, die man in nur einem kleinen Schmutz- oder Staubkorn finden würde“, sagte PNNL-Chemiker Isaac Arnquist, Mitautor des Forschungsartikels und Leiter des Messteams .

Für diese Experimente bewerteten Saldanha, Arnquist und ihre Kollegen Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco und Tyler Schlieder die Menge an Uran, Thorium und Kalium bei jedem Schritt der rund ein Dutzend Verarbeitungsschritte, die letztendlich zu einem Detektorkabel führen. Anschließend entwickelte das Team spezielle Reinigungs- und Herstellungstechniken, um die Kontamination auf ein unbedeutendes Maß zu reduzieren. Die Forscher arbeiten in einem hochreinen, staub- und schadstofffreien Labor und planen sorgfältig jede ihrer Bewegungen.

„Ich halte uns fast für Leistungssportler, weil alles, jede Bewegung, die wir machen, äußerst durchdacht ist. Es ist fast so, als wären wir choreografierte Tänzer“, sagte Arnquist. „Wenn wir mit dem Probenmaterial eines Detektors umgehen, gibt es keine unnötige Bewegung oder Wechselwirkung mit der Probe, da diese Wechselwirkung zu einer Kontamination führen könnte, die die Qualität der Messung der Materialien einschränkt.“

Nach mehrjähriger Arbeit und Hunderten von Messungen sind die resultierenden Kabel nun so frei von Verunreinigungen, dass sie den Betrieb von Dunkle-Materie- und Neutrino-Experimenten der nächsten Generation wie z DAMIC-M, OSCURAUnd nEXO. Das Forschungsteam weist in seiner Studie darauf hin, dass Kabel mit geringer Radioaktivität die Empfindlichkeit der Experimente erhöhen und sogar mehr Flexibilität beim Detektordesign ermöglichen können.

Wir kommen dem Aha-Moment näher

Was genau suchen die Forscher bei diesen Experimenten? Sowohl im Fall der Dunklen Materie als auch im Fall des neutrinolosen doppelten Betazerfalls hoffen sie, extrem seltene Ereignisse aufzuzeichnen, die zwei Schlüsselrätsel des Universums lösen könnten. Beide Rätsel werfen grundlegende Fragen darüber auf, warum das Universum so aussieht, wie es aussieht.

Die Galaxien, die unser Universum füllen, wären ohne die Existenz dunkler Materie nicht entstanden. Dunkle Materie macht etwa 85 % der Materie des Universums aus, und dennoch haben wir dunkle Materie nie direkt beobachtet, sondern nur ihren gravitativen Einfluss auf das Universum. Vielleicht noch faszinierender ist, dass die Frage, warum es überhaupt Materie im Universum gibt, von einer einzigartigen Eigenschaft der kleinsten bekannten Materieteilchen abhängen könnte – dem Neutrino.

Im Gegensatz zu allen anderen Elementarteilchen könnten Neutrinos möglicherweise sowohl als Materie als auch als Antimaterie interagieren. Wenn dies zutrifft, könnte dies zu einem äußerst seltenen Kernzerfall führen, der als neutrinoloser doppelter Betazerfall bezeichnet wird. Wissenschaftler bauen große Experimente, die aus vielen Tonnen empfindlichem Material bestehen, in der Hoffnung, innerhalb des nächsten Jahrzehnts erste Beweise für einen neutrinolosen doppelten Betazerfall zu finden.

„Jeder Schritt, den wir unternehmen, um störende Radioaktivität zu beseitigen, bringt uns der Suche nach Beweisen für Dunkle Materie oder einen neutrinolosen doppelten Betazerfall näher“, sagte Saldanha.

„Diese flexiblen Kabel verfügen über viele Leiterbahnen, die zum Auslesen komplizierter Signale benötigt werden“, fügte Arnquist hinzu. „Wenn beispielsweise dunkle Materie mit dem Detektor interagiert oder ein neutrinoloser doppelter Betazerfall auftritt, entsteht ein Ereignis, das genau aufgezeichnet – ausgelesen – werden muss, um die Entdeckung zu machen. Wir müssen also ein komplexes elektronisches Teil einsetzen.“ extrem frei von radioaktiven Elementen in das Herz des Detektors.

„Die Suche der nächsten Generation nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall wird zu den Experimenten mit der geringsten Radioaktivität gehören, die jemals durchgeführt wurden“, sagte David Moore, Physiker an der Yale University und PNNL-Mitarbeiter.

„Diese Detektoren verwenden so reine Materialien, dass selbst eine kleine Menge normaler Kabelmaterialien die Radioaktivität des gesamten restlichen Detektors überwältigen würde. Daher ist die Entwicklung von Kabeln mit extrem niedrigem Hintergrund zum Auslesen solcher Detektoren eine große Herausforderung.“ Diese aktuelle Arbeit von PNNL und Q-Flex sind der Schlüssel zur Ermöglichung dieser Detektoren und werden den Verkabelungsaufwand auf einen kleinen Bruchteil dessen reduzieren, was mit früheren Technologien möglich war.“

Die Aufrüstung des hochempfindlichen DAMIC-M-Experiments für dunkle Materie ist bereits in Planung und die neuen ultrareinen Kabel sind eine der wichtigsten Verbesserungen, die für den Einbau in den Detektor geplant sind.

„Eine Komponente, die wir in unserem Detektor nicht vermeiden können, sind die Kabel, die die Signale übertragen, die eine sehr geringe Radioaktivität aufweisen müssen“, sagte Alvaro E. Chavarria, Physiker an der University of Washington und Mitarbeiter des DAMIC-M-Projekts .

„Vor dieser jüngsten PNNL-Entwicklung waren Mikrokoaxialkabel die beste Lösung, die zu wenige Signale übertragen und eine erhebliche Neugestaltung unseres Detektors erfordert hätten. Diese Entwicklung ist äußerst aufregend, da sie die Verwendung des branchenüblichen Flex-Schaltkreises ermöglicht.“ Technologie für Anwendungen mit geringem Hintergrund.

Aktuelle Forschungsergebnisse von PNNL-Wissenschaftlern und anderen Mitarbeitern weisen darauf hin, dass die Leistung einiger Quantencomputergeräte durch das Vorhandensein radioaktiver Spurenkontaminanten beeinträchtigt werden kann. Während Radioaktivität derzeit nicht die Leistungsfähigkeit bestehender Quantencomputer einschränkt, ist es möglich, dass Quantengeräte der Zukunft möglicherweise Kabel mit geringer Radioaktivität benötigen, um ihre Leistung zu verbessern.

„Wir sehen das Potenzial dieser Kabel für eine breite Palette empfindlicher Strahlungsdetektoren und möglicherweise auch für andere Anwendungen wie Quantencomputer“, sagte Saldanha.