Shh! Cabos silenciosos configurados para ajudar a revelar eventos físicos raros

Em todo o mundo, mais de uma dúzia de equipes estão ouvindo os pops e o chiado eletrônico, o que pode significar que finalmente sintonizaram o canal certo. Estes cientistas e engenheiros fizeram de tudo para proteger as suas experiências de sinais falsos criados pela radiação cósmica. A maioria dessas experiências são encontradas em locais muito inacessíveis – como a um quilómetro e meio de profundidade, numa mina de níquel em Sudbury, Ontário, Canadá, ou numa mina de ouro abandonada em Lead, Dakota do Sul – para protegê-los dos elementos naturalmente radioactivos da Terra. No entanto, uma dessas fontes de sinais falsos vem da radioatividade natural nos próprios componentes eletrônicos projetados para registrar sinais potenciais.

Os contaminantes radioativos, mesmo em concentrações tão pequenas quanto uma parte por bilhão, podem imitar os sinais ilusórios que os cientistas procuram. Agora, uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, trabalhando com a Q-Flex Inc., uma pequena empresa parceira na Califórnia, produziu cabos eletrônicos com materiais ultrapuros. Esses cabos são especialmente projetados e fabricados para ter níveis extremamente baixos de contaminantes radioativos que não interferirão em experimentos altamente sensíveis de neutrinos e matéria escura. Os cientistas relatam na revista EPJ Techniques and Instrumentation que os cabos têm aplicações não apenas em experimentos de física, mas também podem ser úteis para reduzir o efeito da radiação ionizante que interfere em futuros computadores quânticos.

“Fomos pioneiros em uma técnica para produzir cabeamento eletrônico que é cem vezes menor do que as opções atuais disponíveis comercialmente”, disse o investigador principal do PNNL, Richard Saldanha. “Esta abordagem de fabricação e produto tem ampla aplicação em qualquer campo que seja sensível à presença de níveis muito baixos de contaminantes radioativos.”

Um balé coreografado ultrassilencioso

Pequenas quantidades de elementos radioativos naturais são encontradas em todos os lugares: em rochas, sujeira e poeira flutuando no ar. A quantidade de radiação que emitem é tão baixa que não representa qualquer perigo para a saúde, mas ainda é suficiente para causar problemas aos detectores de neutrinos e matéria escura da próxima geração.

“Normalmente precisamos ficar um milhão ou às vezes um bilhão de vezes mais limpos do que os níveis de contaminação que você encontraria em apenas uma pequena partícula de sujeira ou poeira”, disse o químico do PNNL Isaac Arnquist, coautor do artigo de pesquisa e liderou a equipe de medição. .

Para esses experimentos, Saldanha, Arnquist e os colegas do PNNL Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco e Tyler Schlieder avaliaram a quantidade de urânio, tório e potássio em cada etapa das cerca de uma dúzia de etapas de processamento que finalmente produzem um cabo detector. A equipe desenvolveu então técnicas especiais de limpeza e fabricação para reduzir a contaminação a níveis insignificantes. Trabalhando em um laboratório ultralimpo, livre de poeira e contaminantes, os pesquisadores do PNNL planejam meticulosamente cada movimento seu.

“Quase penso em nós como atletas de performance porque tudo, cada movimento que fazemos, é extremamente pensado. É quase como se fôssemos dançarinos coreografados”, disse Arnquist. “Quando manuseamos o material de uma amostra de detector, não há desperdício de movimento estranho ou interação com a amostra, porque essa interação pode transmitir alguma contaminação que limita o quão bem podemos medir os materiais.”

Após vários anos de trabalho e centenas de medições, os cabos resultantes estão agora tão livres de contaminantes que não afetarão a operação da próxima geração de experimentos de matéria escura e neutrinos, como DAMIC-M, OSCURA e nEXO. A equipe de pesquisa destaca em seu estudo que cabos de baixa radioatividade podem aumentar a sensibilidade dos experimentos e até permitir mais flexibilidade no projeto do detector.

Aproximando-se do momento a-ha

Então, exatamente o que os pesquisadores procuram nesses experimentos? No caso da matéria escura e do decaimento beta duplo sem neutrinos, eles esperam registrar eventos extremamente raros que poderiam resolver dois mistérios importantes do universo. Ambos os mistérios colocam questões fundamentais sobre por que o universo tem essa aparência. As galáxias que preenchem o nosso universo não teriam se formado sem a existência de matéria escura. A matéria escura representa cerca de 85 por cento da matéria do universo e, ainda assim, nunca observamos a matéria escura diretamente, apenas a sua impressão gravitacional no universo. Talvez mais intrigante, a questão de saber por que existe matéria no universo pode depender de uma propriedade única das menores partículas conhecidas de matéria – o neutrino. Ao contrário de todas as outras partículas fundamentais, os neutrinos poderiam interagir tanto como matéria quanto como antimatéria. Se for verdade, isso poderia resultar em um decaimento nuclear extremamente raro chamado decaimento beta duplo sem neutrinos. Os cientistas estão construindo grandes experimentos que consistem em muitas toneladas de material sensível, na esperança de encontrar a primeira evidência de decaimento beta duplo sem neutrinos na próxima década.

“Cada passo que tomamos para eliminar a radioatividade interferente nos aproxima de encontrar evidências de matéria escura ou decaimento beta duplo sem neutrinos”, disse Saldanha.

“Esses cabos flexíveis possuem muitos caminhos condutores, necessários para a leitura de sinais complicados”, acrescentou Arnquist. “Quando, digamos, a matéria escura interage com o detector ou ocorre um decaimento beta duplo sem neutrinos, isso criará um evento que precisa ser registrado com precisão – lido – para fazer a descoberta. Precisamos