Des câbles silencieux destinés à révéler des événements physiques rares

Imaginez que vous essayez de régler une radio sur une seule station, mais que vous rencontrez à la place du bruit statique et des signaux interférents provenant de votre propre équipement. C’est le défi auquel sont confrontées les équipes de recherche en quête de preuves d’événements extrêmement rares qui pourraient aider à comprendre l’origine et la nature de la matière dans l’univers. Il s’avère que lorsque vous essayez de capter certains des signaux les plus faibles de l’univers, cela contribue à rendre vos instruments très silencieux.

Partout dans le monde, plus d’une douzaine d’équipes sont à l’écoute des bruits pop et électroniques qui pourraient signifier qu’elles ont enfin choisi la bonne chaîne. Ces scientifiques et ingénieurs ont déployé des efforts extraordinaires pour protéger leurs expériences des faux signaux créés par le rayonnement cosmique.

La plupart de ces expériences se déroulent dans des endroits très inaccessibles, comme à un kilomètre sous terre dans une mine de nickel à Sudbury, en Ontario, au Canada, ou dans une mine d’or abandonnée à Lead, dans le Dakota du Sud, afin de les protéger des éléments naturellement radioactifs présents sur Terre. Cependant, l’une de ces sources de faux signaux provient de la radioactivité naturelle des composants électroniques conçus pour enregistrer les signaux potentiels.

Les contaminants radioactifs, même à des concentrations aussi infimes qu’une partie par milliard, peuvent imiter les signaux insaisissables recherchés par les scientifiques. Aujourd’hui, une équipe de recherche du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l’Énergie, en collaboration avec Q-Flex Inc., une petite entreprise partenaire en Californie, a produit des câbles électroniques avec des matériaux ultra-purs.

Ces câbles sont spécialement conçus et fabriqués pour avoir des niveaux de contaminants radioactifs si extrêmement faibles qu’ils n’interféreront pas avec les expériences très sensibles sur les neutrinos et la matière noire.

Les scientifiques rapport dans le journal Techniques et instrumentation EPJ que les câbles ont des applications non seulement dans les expériences de physique, mais qu’ils pourraient également être utiles pour réduire l’effet des rayonnements ionisants interférant avec les futurs ordinateurs quantiques.

« Nous avons mis au point une technique permettant de produire un câblage électronique cent fois inférieur aux options actuellement disponibles dans le commerce », a déclaré Richard Saldanha, chercheur principal du PNNL. « Cette approche de fabrication et ce produit ont une large application dans tout domaine sensible à la présence de niveaux même très faibles de contaminants radioactifs. »

Un ballet chorégraphié ultra-silencieux

De petites quantités d’éléments radioactifs naturels se trouvent partout : dans les roches, la saleté et la poussière flottant dans l’air. La quantité de rayonnement qu’ils émettent est si faible qu’ils ne présentent aucun risque pour la santé, mais cela suffit néanmoins à poser des problèmes aux détecteurs de neutrinos et de matière noire de nouvelle génération.

« Nous devons généralement devenir un million, voire un milliard de fois plus propre que les niveaux de contamination que vous trouveriez dans un simple petit grain de saleté ou de poussière », a déclaré Isaac Arnquist, chimiste du PNNL, co-auteur de l’article de recherche et responsable de l’équipe de mesure. .

Pour ces expériences, Saldanha, Arnquist et leurs collègues Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco et Tyler Schlieder ont évalué la quantité d’uranium, de thorium et de potassium à chaque étape de la douzaine d’étapes de traitement qui produisent finalement un câble détecteur. L’équipe a ensuite développé des techniques spéciales de nettoyage et de fabrication pour réduire la contamination à des niveaux insignifiants. Travaillant dans un laboratoire ultra propre, exempt de poussière et de contaminants, les chercheurs planifient méticuleusement chacun de leurs mouvements.

« Je nous considère presque comme des athlètes de performance parce que tout, chaque mouvement que nous faisons, est extrêmement réfléchi. C’est presque comme si nous étions des danseurs chorégraphiés », a déclaré Arnquist. « Lorsque nous manipulons un échantillon de matériau de détecteur, il n’y a pas de mouvement étranger inutile ni d’interaction avec l’échantillon, car cette interaction pourrait entraîner une certaine contamination qui limite la façon dont nous pouvons mesurer les matériaux. »

Après plusieurs années de travail et des centaines de mesures, les câbles obtenus sont désormais si exempts de contaminants qu’ils n’auront pas d’impact sur le fonctionnement des expériences de nouvelle génération sur la matière noire et les neutrinos, telles que DAMIC-M, OSCURAet nEXO. L’équipe de recherche souligne dans son étude que les câbles à faible radioactivité peuvent augmenter la sensibilité des expériences et même permettre plus de flexibilité dans la conception des détecteurs.

Se rapprocher du moment « a-ha »

Alors, que recherchent exactement les chercheurs dans ces expériences ? Dans le cas de la matière noire et de la double désintégration bêta sans neutrinos, ils espèrent enregistrer des événements extrêmement rares qui pourraient résoudre deux mystères clés de l’univers. Ces deux mystères posent des questions fondamentales sur la raison pour laquelle l’univers ressemble à tel qu’il est.

Les galaxies qui remplissent notre univers ne se seraient pas formées sans l’existence de la matière noire. La matière noire représente environ 85 % de la matière de l’univers et pourtant, nous n’avons jamais observé directement la matière noire, seulement son empreinte gravitationnelle sur l’univers. Peut-être plus intrigant, la question de savoir pourquoi il y a de la matière dans l’univers pourrait dépendre d’une propriété unique des plus petites particules de matière connues : le neutrino.

Contrairement à toutes les autres particules fondamentales, les neutrinos pourraient interagir à la fois comme matière et comme antimatière. Si cela est vrai, cela pourrait entraîner une désintégration nucléaire extrêmement rare appelée double désintégration bêta sans neutrinos. Les scientifiques construisent de grandes expériences comprenant plusieurs tonnes de matériaux sensibles dans l’espoir de trouver les premières preuves d’une double désintégration bêta sans neutrinos au cours de la prochaine décennie.

« Chaque mesure que nous prenons pour éliminer la radioactivité interférente nous rapproche de la découverte de preuves de matière noire ou de double désintégration bêta sans neutrinos », a déclaré Saldanha.

« Ces câbles flexibles comportent de nombreux chemins conducteurs, nécessaires à la lecture de signaux complexes », a ajouté Arnquist. « Lorsque, par exemple, la matière noire interagit avec le détecteur ou qu’une double désintégration bêta sans neutrinos se produit, cela va créer un événement qui doit être enregistré avec précision – lu – pour faire la découverte. Nous devons mettre une partie électronique complexe qui est extrêmement propre d’éléments radioactifs au cœur du détecteur.

« Les recherches de nouvelle génération sur la double désintégration bêta sans neutrinos figureront parmi les expériences de radioactivité les plus faibles jamais réalisées », a déclaré David Moore, physicien à l’Université de Yale et collaborateur du PNNL.

« Ces détecteurs utilisent des matériaux si purs que même une petite quantité de matériaux de câblage normaux submergerait la radioactivité de tout le reste du détecteur. Le développement de câbles à très faible bruit de fond pour lire de tels détecteurs constitue donc un défi majeur. Ce travail récent de PNNL et Q-Flex sont essentiels pour activer ces détecteurs et réduiront le câblage de base à une petite fraction de ce qui était possible avec les technologies précédentes. »

La planification est déjà en cours pour mettre à niveau l’expérience très sensible sur la matière noire DAMIC-M et les nouveaux câbles ultra-purs constituent l’une des principales améliorations prévues pour l’installation dans le détecteur.

« Un composant que nous ne pouvons pas éviter dans notre détecteur sont les câbles qui transmettent les signaux, qui doivent être de très faible radioactivité », a déclaré Alvaro E Chavarria, physicien à l’Université de Washington et collaborateur du projet DAMIC-M. .

« Avant ce récent développement du PNNL, la meilleure solution était les câbles microcoaxiaux, qui transportent trop peu de signaux et auraient nécessité une refonte significative de notre détecteur. Ce développement est extrêmement excitant, car il permet d’utiliser le circuit flexible standard de l’industrie. technologie pour les applications à faible bruit de fond.

Les résultats de recherches récentes menées par des scientifiques du PNNL et d’autres collaborateurs indiquent que les performances de certains dispositifs informatiques quantiques peuvent être affectées par la présence de traces de contaminants radioactifs. Bien que la radioactivité ne limite pas actuellement les capacités des ordinateurs quantiques existants, il est possible que les dispositifs quantiques du futur aient besoin de câbles à faible radioactivité pour améliorer leurs performances.

« Nous voyons le potentiel de ces câbles pour trouver des applications dans une large gamme de détecteurs de rayonnements sensibles et peut-être dans d’autres applications telles que l’informatique quantique », a déclaré Saldanha.