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高纯度芬兰铜可帮助科学家研究暗物质

放射性物质 钴-60 暗物质
发布:2020-11-03 10:36:53    

SuperCDMS的铜板(图片来源:Lumi Martin,Fermilab)

三批在芬兰开采的,纯度为99.99%的铜板,其放射性杂质含量不到亿分之一,后来在德国轧制成板,通过陆上和海上运输到美国的粒子物理和加速器实验室Fermilab,最后冲入地下100米的仓库,可能包含探测暗物质的钥匙。

费米实验室的科学家丹·鲍尔(Dan Bauer)认为,为了能够使用板分析暗物质,铜必须保持尽可能纯。每天宇宙射线撞击地球时,将它们暴露在地表会危及生命,当此类粒子撞击铜原子时,它们可以敲除质子和中子以产生另一个称为钴60的原子。

钴60具有放射性,这意味着它不稳定,并自发地分解成其他颗粒。这项工作是“超级低温暗物质搜索”的一部分,“超级低温暗物质搜索”的重点是在加拿大安大略省地下实验室SNOLAB中搜索暗物质。

鲍尔在一份媒体声明中说,铜板最终将采用六个类似嵌套娃娃的超大苏打罐的形状。最里面的罐子将容纳锗和硅设备,这些设备旨在检测假设的微弱相互作用的大颗粒(WIMP),尤其是那些质子质量小于10倍的颗粒。

另一方面,真空密封的最外层罐子的直径将超过一米。整个设备(称为SNOBOX)将通过一组铜杆连接到一个特殊的冰箱,该冰箱将检测器冷却到比绝对零值高出一小部分的程度。

SNOBOX(一种用于检测SuperCDMS实验中的暗物质颗粒的设备)将使用与此类似的嵌套铜罐。(图片由Dan Bauer提供,由Fermilab提供)。

在如此寒冷的温度下,热振动是如此之小,以至于WIMP在与原子碰撞时可能留下可检测的信号。但是鲍尔说:“您正在大海捞针中寻找暗物质。”

同时,通过SuperCDMS检测器飞行的普通物质粒子可能会产生外来信号,称为背景,这会淹没来自暗物质相互作用的信号。

将SuperCDMS埋在地下两公里的地方,并将SNOBOX包裹在铅,塑料和水层中,将筛出环境中几乎所有不需要的颗粒。但是铜罐和探测器之间没有任何东西。尽管铜的传热能力使其非常适合冷却探测器,但金属中的任何放射性杂质都会散发出背景粒子。

SuperCDMS低温系统经理Matthew Hollister说:“最重要的是,铜在暴露于宇宙射线的表面上停留的时间越长,产生的钴60就越多。” “因此,这项实验的部分背景预算中包括了表面暴露的时间限制。”

在固有杂质与通过切割,轧制和运输铜引入的杂质之间,现在位于费米实验室地下的板块还不是很原始。

收到板块后,研究人员将样品送至美国能源部太平洋西北国家实验室进行详细测试,以量化残留杂质。很快,这些盘子将离开费米实验室进行制造,钴钟将再次滴答作响,直到罐头到达SNOLAB的家中为止。

鲍尔说:“在将它们带入地下之前,最后一步是用酸蚀剂喷涂它们,该酸蚀剂会去除表面的数十微米。”

SuperCDMS合作计划于2022年开始收集数据。总而言之,此次实验的目标是使背景水平比其前身低100倍,这在很大程度上要归功于铜的纯度。

随着灵敏度的提高,研究人员希望发现附近可能存在的任何低质量WIMP。

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