In februari en maart, drie partijen koperplaten arriveerden bij Fermilab en werden met spoed 100 meter onder de grond opgeslagen. Het koper was gewonnen in Finland, in Duitsland tot platen gerold en over land en zee naar het laboratorium verscheept - allemaal binnen 120 dagen. In de zoektocht naar donkere materie, de mysterieuze substantie die 85% van de materie in het universum uitmaakt, elke dag dat het koper boven de grond werd verbruikt, deed ertoe.

"Aan het aardoppervlak, we zitten in een regen van kosmische stralen, " zei Fermilab-wetenschapper Dan Bauer.

Wanneer deze hoogenergetische deeltjes afkomstig uit de ruimte een koperatoom raken, ze kunnen protonen en neutronen uitschakelen om een ​​ander atoom te produceren, kobalt-60 genaamd. Kobalt-60 is radioactief, wat betekent dat het onstabiel is en spontaan vervalt in andere deeltjes. Het minuscule aantal koperatomen dat wordt omgezet in kobalt heeft geen invloed op het dagelijkse gebruik van koper. Maar Bauer en anderen die aan de Super Cryogenic Dark Matter Search werken, moeten drastische maatregelen nemen om ervoor te zorgen dat het koper dat ze gebruiken zo puur mogelijk is.

De laatste in een reeks van soortgelijke experimenten, SuperCDMS gaat op zoek naar donkere materie bij SNOLAB, een ondergronds laboratorium in de buurt van Sudbury, Ontario, Canada. De koperplaten zullen uiteindelijk de vorm aannemen van zes extra grote frisdrankblikjes die zijn gerangschikt als nestpoppen. Het binnenste blik zal apparaten van germanium en silicium bevatten die zijn ontworpen om veronderstelde zwak interagerende massieve deeltjes te detecteren, of WIMP's, vooral die met minder dan 10 keer de massa van een proton. De vacuüm verzegelde buitenste bus heeft een diameter van iets meer dan een meter. Het hele ding, de SNOBOX genoemd, zal via een set koperen stelen worden gekoppeld aan een speciale koelkast die de detectoren zal koelen tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt.

Bij zulke koude temperaturen, thermische trillingen zijn zo klein dat een WIMP een detecteerbaar signaal kan achterlaten bij een botsing met een atoom.

Maar "je zoekt een speld in een hooiberg met donkere materie, " zei Bauer. "Het beste wat je gaat krijgen is misschien een paar evenementen per jaar."

In de tussentijd, gewone materiedeeltjes die door de SuperCDMS-detectoren vliegen, kunnen vreemde handtekeningen produceren, bekend als achtergrond, dat de signalen van interacties met donkere materie zou verdrinken.

SuperCDMS twee kilometer onder de grond begraven en de SNOBOX in loden lagen omhullen, plastic en water filteren bijna alle ongewenste deeltjes in het milieu. Maar er staat niets tussen de koperen blikken en de detectoren. En hoewel het superieure vermogen van koper om warmte te transporteren het ideaal maakt voor het koelen van de detectoren, eventuele radioactieve onzuiverheden in het metaal zouden achtergronddeeltjes uitzenden.

Dat brengt ons terug bij kobalt-60.

"Het komt erop neer dat hoe langer het koper op het oppervlak zit dat wordt blootgesteld aan kosmische straling, hoe meer kobalt-60 wordt aangemaakt, " legde Matthew Hollister van Fermilab uit, de beheerder van het SuperCDMS cryogene systeem. "Dus een deel van het achtergrondbudget voor het experiment omvat een tijdslimiet voor blootstelling aan het oppervlak."

Kobalt-60 is niet de enige onzuiverheid om je zorgen over te maken. Radioactieve isotopen van uranium, thorium en kalium komen van nature voor in de aardkorst, dus moest het SuperCDMS-team koper kopen dat afkomstig was uit een mijn met zo min mogelijk van deze metalen. Niet-radioactieve onzuiverheden zijn belangrijk, ook - ze kunnen het vermogen van koper om warmte te geleiden verminderen, waardoor het moeilijker wordt om de detectoren koud te houden. In totaal, het koper voor SuperCDMS moet meer dan 99,99% zuiver zijn met minder dan 0,1 delen per miljard radioactieve onzuiverheden.

Tussen intrinsieke onzuiverheden en die geïntroduceerd door snijden, het rollen en transporteren van het koper, de platen die nu ondergronds bij Fermilab zitten, zijn niet helemaal ongerept.

"Veel van het proces is niet iets waar we directe controle over hebben, "Zei Hollister. "Een deel ervan is echt een schot in het duister over waar we aan het eind van de dag mee zullen eindigen."

Na ontvangst van de platen, de onderzoekers stuurden monsters naar het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy voor gedetailleerde tests om de resterende onzuiverheden te kwantificeren. Spoedig, de platen verlaten Fermilab voor fabricage, en de kobaltklok tikt weer totdat de blikjes hun huis bij SNOLAB bereiken.

"De laatste stap voordat we ze ondergronds brengen, is om ze te besproeien met een zure ets die enkele tientallen microns van het oppervlak zal verwijderen, ' zei Bauer.

Een oplossing van waterstofperoxide en verdund zoutzuur verwijdert alle onzuiverheden die zich tijdens het productieproces hebben opgehoopt. En een zwakke citroenzuuroplossing zal de hoge thermische geleidbaarheid van koper behouden door het in de loop van het experiment te beschermen tegen oxidatie.

De samenwerking met SuperCDMS is van plan om in 2022 te beginnen met het verzamelen van gegevens. deze iteratie van het experiment streeft naar achtergrondniveaus die 100 keer lager zijn dan zijn voorganger, grotendeels te danken aan de zuiverheid van het koper. Met de verhoogde gevoeligheid, onderzoekers hopen om het even welke WIMP's met een lage massa te spotten die zich in de buurt zouden kunnen bevinden.

"Dit programma is al heel lang in ontwikkeling, dus het is goed om te zien dat het begint samen te komen, " zei Hollister. "De SNOBOX is echt het laatste grote stuk, dus we kijken er naar uit om dit ding zo snel mogelijk te installeren en operationeel te krijgen."

SuperCDMS-onderzoek naar donkere materie wordt ondersteund door DOE's Office of Science en de National Science Foundation, evenals de Canada Foundation for Innovation en SNOLAB.