Cobre finlandês de alta pureza ajuda cientistas a estudar matéria escura

O SNOBOX - o dispositivo projetado para detectar partículas de matéria escura para o experimento SuperCDMS. Placas de cobre de alta pureza. (Imagem de Dan Bauer, do Fermilab).

Três lotes de placas de cobre extraídas na Finlândia com 99,99% de pureza com menos de 0,1 ppb de impurezas radioativas, que mais tarde foram enroladas em placas na Alemanha, enviadas por terra e mar para o Fermilab, um laboratório de física de partículas e acelerador nos EUA, e, finalmente, levado para o armazenamento 100 metros abaixo do solo, podem conter a chave para detectar a matéria escura.

De acordo com o cientista do Fermilab Dan Bauer, para poder usar as placas para analisar a matéria escura, o cobre tinha que permanecer o mais puro possível. Isso teria sido prejudicado ao expô-los à superfície quando os raios cósmicos atingem a Terra todos os dias e, quando essas partículas atingem um átomo de cobre, podem eliminar prótons e nêutrons para produzir outro átomo chamado cobalto-60.

O cobalto-60 é radioativo, o que significa que é instável e se decompõe espontaneamente em outras partículas.

Este trabalho faz parte da Super Cryogenic Dark Matter Search, cujo foco é a pesquisa de matéria escura no SNOLAB, um laboratório subterrâneo em Ontário, Canadá.

Em um comunicado à mídia, Bauer disse que as placas de cobre acabarão tomando a forma de seis latas de refrigerante de grandes dimensões dispostas como bonecos. A lata mais interna abrigará dispositivos de germânio e silício projetados para detectar partículas massivas de interação fraca (WIMPs), especialmente aquelas com menos de 10 vezes a massa de um próton.

A lata mais externa selada a vácuo, por outro lado, terá um pouco mais de um metro de diâmetro. Toda a engenhoca, batizada de SNOBOX, será conectada por meio de um conjunto de hastes de cobre a uma geladeira especial que resfriará os detectores a uma pequena fração de grau acima do zero absoluto.

Em temperaturas tão frias, as vibrações térmicas são tão pequenas que um WIMP poderia deixar um sinal detectável ao colidir com um átomo.

Mas “você está procurando uma agulha em um palheiro com matéria escura”, disse Bauer. “O melhor que você vai conseguir é talvez alguns eventos por ano.”

Enquanto isso, partículas de matéria comum voando pelos detectores SuperCDMS poderiam produzir assinaturas estranhas, conhecidas como fundo, que abafariam os sinais das interações de matéria escura.

Enterrar o SuperCDMS dois quilômetros no subsolo e envolver o SNOBOX em camadas de chumbo, plástico e água filtrará quase todas as partículas indesejáveis ​​do meio ambiente. Mas nada fica entre as latas de cobre e os detectores. E embora a capacidade do cobre de transportar calor o torne ideal para resfriar os detectores, quaisquer impurezas radioativas no metal emitem partículas de fundo.

“O resultado é que quanto mais tempo o cobre permanece na superfície sendo exposto aos raios cósmicos, mais cobalto-60 é criado”, disse Matthew Hollister, gerente do sistema de criogenia SuperCDMS. “Portanto, parte do orçamento de fundo para o experimento inclui um limite de tempo para a exposição da superfície.”

Entre as impurezas intrínsecas e aquelas introduzidas através do corte, laminação e transporte do cobre, as placas que agora ficam no subsolo do Fermilab não são totalmente puras.

Depois de receber as placas, os pesquisadores enviaram amostras ao Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA para testes detalhados para quantificar as impurezas restantes. Em breve, as placas sairão do Fermilab para a fabricação, e o relógio de cobalto-60 correrá mais uma vez até que as latas cheguem na SNOLAB.

“O último passo antes de levá-los para o subsolo será borrifá-los com uma corrosão ácida que irá remover algumas dezenas de mícrons da superfície”, disse Bauer.

A colaboração do SuperCDMS planeja começar a coletar dados em 2022. Em suma, essa iteração do experimento visa níveis de fundo 100 vezes mais baixos do que seu antecessor, em grande parte graças à pureza do cobre.

Com o aumento da sensibilidade, os pesquisadores esperam localizar quaisquer WIMPs de baixa massa que possam estar na vizinhança.