Le SNOBOX - l'appareil conçu pour détecter les particules de matière noire pour l'expérience SuperCDMS - utilisera des boîtes en cuivre emboîtables similaires à celle-ci, qui a été utilisé dans l'expérience du progéniteur CDMS à Soudan. Crédit :Dan Bauer, Laboratoire Fermi
En février et mars, trois lots de plaques de cuivre sont arrivés au Fermilab et ont été stockés à 100 mètres sous terre. Le cuivre avait été extrait en Finlande, roulés en plaques en Allemagne et expédiés par voie terrestre et maritime jusqu'au laboratoire, le tout dans un délai de 120 jours. Dans la quête pour détecter la matière noire, la substance mystérieuse constituant 85 % de la matière de l'univers, chaque jour que le cuivre dépensé au-dessus du sol comptait.
« A la surface de la Terre, nous sommes dans une pluie de rayons cosmiques, " a déclaré Dan Bauer, scientifique du Fermilab.
Lorsque ces particules de haute énergie provenant de l'espace heurtent un atome de cuivre, ils peuvent éliminer les protons et les neutrons pour produire un autre atome appelé cobalt-60. Le cobalt 60 est radioactif, ce qui signifie qu'il est instable et se désintègre spontanément en d'autres particules. Le nombre infime d'atomes de cuivre convertis en cobalt n'a aucun impact sur les utilisations quotidiennes du cuivre. Mais Bauer et d'autres personnes travaillant sur la recherche de matière noire super cryogénique doivent prendre des mesures drastiques pour s'assurer que le cuivre qu'ils utilisent est aussi pur que possible.
La dernière d'une lignée d'expériences similaires, SuperCDMS recherchera la matière noire au SNOLAB, un laboratoire souterrain près de Sudbury, Ontario, Canada. Les plaques de cuivre finiront par prendre la forme de six canettes de soda surdimensionnées disposées comme des poupées gigognes. La boîte la plus intérieure abritera des dispositifs au germanium et au silicium conçus pour détecter des particules massives hypothétiques interagissant faiblement, ou WIMPs, en particulier ceux avec moins de 10 fois la masse d'un proton. La boîte extérieure scellée sous vide mesurera un peu plus d'un mètre de diamètre. Tout l'engin, surnommé le SNOBOX, sera relié via un ensemble de tiges de cuivre à un réfrigérateur spécial qui refroidira les détecteurs à une infime fraction de degré au-dessus du zéro absolu.
À des températures aussi glaciales, les vibrations thermiques sont si faibles qu'une WIMP pourrait laisser un signal détectable lors de la collision avec un atome.
Mais " vous cherchez une aiguille dans une botte de foin avec de la matière noire, " Bauer a déclaré. "Le mieux que vous allez obtenir est peut-être quelques événements par an."
Les plaques de cuivre ultrapur seront façonnées en boîtes emboîtées, comme le montre cette vue en coupe du design SNOBOX. Les trous hexagonaux au centre contiendront les détecteurs de matière noire. Crédit :collaboration SuperCDMS
Pendant ce temps, les particules de matière ordinaire volant à travers les détecteurs SuperCDMS pourraient produire des signatures étrangères, connu comme arrière-plan, cela noierait les signaux des interactions avec la matière noire.
Enfouir le SuperCDMS à deux kilomètres sous terre et enfermer la SNOBOX dans des couches de plomb, le plastique et l'eau filtreront presque toutes les particules indésirables dans l'environnement. Mais rien ne s'interpose entre les boîtes de cuivre et les détecteurs. Et tandis que la capacité supérieure du cuivre à transporter la chaleur le rend idéal pour refroidir les détecteurs, toute impureté radioactive dans le métal émettrait des particules de fond.
Cela nous ramène au cobalt-60.
"L'essentiel est que plus le cuivre reste longtemps sur la surface exposée aux rayons cosmiques, plus le cobalt-60 est créé, " a expliqué Matthew Hollister du Fermilab, le gestionnaire du système cryogénique SuperCDMS. "Donc, une partie du budget de fond pour l'expérience comprend une limite de temps pour l'exposition de surface."
Le cobalt 60 n'est pas la seule impureté dont il faut s'inquiéter. Isotopes radioactifs de l'uranium, le thorium et le potassium sont naturellement présents dans la croûte terrestre, l'équipe SuperCDMS a donc dû acheter du cuivre provenant d'une mine avec le moins de ces métaux possible. Les impuretés non radioactives comptent, aussi - ils peuvent diminuer la capacité du cuivre à conduire la chaleur, rendant ainsi plus difficile le maintien au froid des détecteurs. Au total, le cuivre pour SuperCDMS doit être pur à plus de 99,99 % avec moins de 0,1 partie par milliard d'impuretés radioactives.
Entre les impuretés intrinsèques et celles introduites par la coupe, laminage et transport du cuivre, les plaques qui se trouvent maintenant sous terre au Fermilab ne sont pas tout à fait vierges.
Après avoir traversé l'océan Atlantique, les plaques de cuivre pour SuperCDMS ont été livrées à une usine de South Bend, Indiana, avant d'être acheminé au Laboratoire Fermi pour être stocké sous terre. Crédit :Luke Martin, Laboratoire Fermi
"Une grande partie du processus n'est pas quelque chose sur laquelle nous avons un contrôle direct, " Hollister a déclaré. "Certaines d'entre elles sont vraiment un coup de feu quant à ce que nous allons nous retrouver à la fin de la journée."
Après avoir reçu les plaques, les chercheurs ont envoyé des échantillons au Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis pour des tests détaillés afin de quantifier les impuretés restantes. Bientôt, les plaques quitteront le Fermilab pour la fabrication, et l'horloge du cobalt tournera à nouveau jusqu'à ce que les canettes atteignent leur domicile à SNOLAB.
"La dernière étape avant de les mettre sous terre sera de les asperger d'un acide qui décollera quelques dizaines de microns de la surface, " a déclaré Bauer.
Une solution de peroxyde d'hydrogène et d'acide chlorhydrique dilué éliminera toutes les impuretés de surface qui se sont accumulées au cours du processus de fabrication. Et une solution d'acide citrique faible préservera la conductivité thermique élevée du cuivre en le protégeant de l'oxydation au cours de l'expérience.
La collaboration SuperCDMS prévoit de commencer à collecter des données en 2022. Dans l'ensemble, cette itération de l'expérience vise des niveaux de bruit de fond 100 fois inférieurs à son prédécesseur, grâce en grande partie à la pureté du cuivre. Avec la sensibilité accrue, les chercheurs espèrent repérer les WIMPs de faible masse qui pourraient se trouver dans le voisinage.
"Ce programme est en développement depuis assez longtemps, donc c'est bon de le voir commencer à se rassembler, " a déclaré Hollister. " La SNOBOX est vraiment la dernière pièce majeure, Nous sommes donc impatients d'installer cette chose et de la rendre opérationnelle dès que nous le pourrons."
La recherche SuperCDMS sur la matière noire est soutenue par l'Office of Science du DOE et la National Science Foundation, ainsi que la Fondation canadienne pour l'innovation et SNOLAB.
