Hoe detecteer je een deeltje dat bijna geen massa heeft, voelt slechts twee van de vier fundamentele krachten, en een heel lichtjaar ongehinderd door vast lood kunnen reizen zonder ooit in contact te komen met materie? Dit is het probleem van neutrino's, spookachtige deeltjes die in de biljoenen worden gegenereerd door kernreacties in sterren, inclusief onze zon, en op aarde. Wetenschappers kunnen ook neutrino's produceren om te bestuderen in gecontroleerde experimenten met behulp van deeltjesversnellers. Een van de manieren waarop neutrino's kunnen worden gedetecteerd, is met grote vaten gevuld met vloeibaar argon en omwikkeld met een complex web van geïntegreerde schakelingen die kunnen werken bij temperaturen die kouder zijn dan de gemiddelde dag op Neptunus.

De industrie maakt doorgaans geen gebruik van elektronica die werkt bij cryogene temperaturen, dus deeltjesfysici hebben hun eigen moeten construeren. Een samenwerking van verschillende nationale laboratoria van het Department of Energy, inclusief Fermilab, heeft prototypes ontwikkeld van de elektronica die uiteindelijk zal worden gebruikt in het internationale Deep Underground Neutrino Experiment, genaamd DUN, georganiseerd door Fermilab. DUNE zal een intense straal neutrino's genereren bij Fermilab in Illinois en deze 800 mijl door de aardkorst naar detectoren in South Dakota sturen. Resultaten van het experiment kunnen wetenschappers helpen begrijpen waarom er meer materie is dan antimaterie, een onbalans die leidde tot de vorming van ons universum.

Natuurkunde en chill

De neutrinodetectoren van DUNE zullen enorm zijn:in totaal vier tanks, elk zo hoog als een gebouw van vier verdiepingen, zal een gecombineerde 70 bevatten, 000 ton vloeibaar argon en bevinden zich in een grot een mijl onder het aardoppervlak.

Argon komt van nature voor als gas in onze atmosfeer, en om het in een vloeistof te veranderen, moet het worden gekoeld tot extreem lage temperaturen. De atoomkernen van vloeibaar argon zijn zo dicht op elkaar gepakt dat sommige van de beroemde ongrijpbare neutrino's die vanuit Fermilab reizen met hen zullen interageren. het achterlaten van verklikkers van hun overlijden. De resulterende botsing produceert verschillende deeltjes die zich in alle richtingen verspreiden, inclusief elektronen, die natuurkundigen gebruiken om het pad van het anders onzichtbare neutrino te reconstrueren.

Een sterk elektrisch veld dat in de detector wordt gehandhaafd, zorgt ervoor dat de vrije elektronen afdrijven naar draden die aan gevoelige elektronica zijn bevestigd. Terwijl de elektronen langs de draden gaan, ze genereren kleine spanningspulsen die worden geregistreerd door elektronica in de vloeistof-argonkamer. Versterkers in de kamer versterken dan het signaal door de spanning te verhogen, waarna ze worden omgezet naar digitale data. Eindelijk, de signalen die in de hele kamer worden verzameld en gedigitaliseerd, worden samengevoegd en naar computers buiten de detector gestuurd voor opslag en analyse.

Uitdagingen voor gekoelde elektronica

De elektronica in neutrinodetectoren werkt op dezelfde manier als de technologie die we in ons dagelijks leven gebruiken, met één grote uitzondering. De geïntegreerde schakelingen in onze telefoons, computers, camera's, auto's, magnetrons en andere apparaten zijn ontwikkeld om bij of rond kamertemperatuur te werken, tot ongeveer min 40 graden Celsius. Het vloeibare argon in neutrinodetectoren, echter, wordt afgekoeld tot ongeveer min 200 graden.

"Als je elektronica gebruikt die ontworpen is om bij kamertemperatuur te werken, zelden zult u merken dat ze bijna net zo goed werken als degenen die zijn ontworpen om te werken bij cryogene temperaturen, " zei Fermilab-wetenschapper David Christian.

Vroeger, dit probleem werd volledig omzeild door de elektronische schakelingen buiten de argontanks te plaatsen. Maar als je een beperkt aantal elektronen meet, zelfs de geringste hoeveelheid elektronische ruis kan het signaal dat u zoekt maskeren.

De gemakkelijkste manier om het probleem te verminderen, is dezelfde tactiek die u gebruikt om te voorkomen dat voedsel bederft:houd het koud. Als alle elektronica is ondergedompeld in het vloeibare argon, er zijn minder thermische trillingen van atomen en een grotere signaal-ruisverhouding. Het plaatsen van de elektronica in de vloeistof-argontank heeft als bijkomend voordeel dat u minder draad hoeft te gebruiken om signalen aan de versterkers te leveren. Indien, bijvoorbeeld, versterkers en analoog-naar-digitaal-omzetters worden buiten de kamer gehouden (zoals in sommige neutrino-detectoren), lange draden moeten ze verbinden met de detectoren aan de binnenkant.

"Als je de elektronica in de koude kamer stopt, je hebt veel kortere draden en dus minder ruis, " zei Carl Grace, een ingenieur bij het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Je versterkt het signaal en digitaliseert het in de argonkamer. Je hebt dan een digitale interface naar de buitenwereld waarin ruis geen rol meer speelt."

Er zijn verschillende ontwerpuitdagingen die deze teams hebben moeten overwinnen tijdens de ontwikkeling, niet in de laatste plaats was het bepalen hoe de duurzaamheid van de apparaten kon worden getest.

"Deze chips zullen minimaal twintig jaar moeten werken, hopelijk langer, ' zei Grace. 'En vanwege de aard van de argonkamers, de elektronica die erin wordt gestopt, kan niet worden veranderd. Ze kunnen op geen enkele manier worden verwisseld of gerepareerd."

Aangezien Grace en zijn team geen 20 jaar hebben om hun prototypes te testen, ze hebben de effecten van veroudering benaderd door de hoeveelheid spanning die de chips van stroom voorziet te verhogen om de slijtage van normale, langdurige werking.

"We nemen de elektronica, afkoelen en vervolgens hun spanning verhogen om hun veroudering te versnellen, Grace zei. "Door hun gedrag gedurende een relatief korte periode te observeren, we kunnen dan inschatten hoe lang de elektronica mee zou gaan als ze zouden werken op de spanningen waarvoor ze ontworpen waren."

Weerstand in circuits

Deze circuits moeten niet alleen worden gebouwd om tientallen jaren mee te gaan, ze moeten ook op een andere manier duurzamer worden gemaakt.

Elektronische schakelingen hebben een zekere weerstand tegen de elektrische stroom die erdoorheen vloeit. Als elektronen door een circuit gaan, ze interageren met de trillende atomen in het geleidende materiaal, wat hen vertraagt. Maar deze interacties worden verminderd wanneer de elektronica wordt afgekoeld tot cryogene temperaturen, en de elektronen waaruit het signaal bestaat, bewegen gemiddeld sneller.

Dit is een goede zaak in termen van output; de geïntegreerde schakelingen die voor DUNE worden gebouwd, werken efficiënter wanneer ze in het vloeibare argon worden geplaatst. Maar, omdat de elektronen sneller door de circuits reizen als de temperatuur daalt, ze kunnen beginnen met het beschadigen van het circuit zelf.

"Als elektronen voldoende kinetische energie hebben, ze kunnen daadwerkelijk beginnen met het rippen van atomen uit de kristalstructuur van het geleidende materiaal, ' zei Grace. 'Het is alsof kogels een muur raken. De muur begint na verloop van tijd zijn integriteit te verliezen."

DUNE-chips zijn ontworpen om dit effect te verminderen. De chips zijn vervaardigd met behulp van grote samenstellende apparaten om de hoeveelheid opgelopen schade te minimaliseren, en ze worden gebruikt bij lagere spanningen dan normaal bij kamertemperatuur. Wetenschappers kunnen ook de bedrijfsparameters in de loop van de tijd aanpassen om eventuele schade te compenseren die ontstaat tijdens hun jarenlange gebruik.

Tijdlijn tot voltooiing

Nu de voorbereidingen voor de DUNE in volle gang zijn en het experiment tegen 2027 moet beginnen met het genereren van gegevens, wetenschappers van veel instellingen hebben hard gewerkt aan de ontwikkeling van elektronische prototypen.

Wetenschappers van Brookhaven National Laboratory werken aan het perfectioneren van de versterker, terwijl teams van Fermilab, De laboratoria van Brookhaven en Berkeley werken samen aan het ontwerp van de analoog-naar-digitaal converter. Fermilab heeft ook samengewerkt met Southern Methodist University om de elektronische component te ontwikkelen die alle gegevens in een argontank samenvoegt voordat deze wordt verzonden naar elektronica buiten de koude detector. Eindelijk, onderzoekers die aan een concurrerend ontwerp werken bij SLAC National Accelerator Laboratory, proberen een manier te vinden om alle drie de componenten efficiënt te combineren in één geïntegreerd circuit.

De verschillende teams zijn van plan hun circuitontwerpen deze zomer ter beoordeling in te dienen. De geselecteerde ontwerpen zullen worden gebouwd en uiteindelijk worden geïnstalleerd in de DUNE-neutrinodetectoren in de Sanford Underground Neutrino Facility in South Dakota.