沙丘 - 粒子物理学家的冷眼睛为幽灵般的粒子的低温“陷阱”

在低温温度下工作的模数转换器，例如在此示出的原型，将在深层地下中微子实验中的液体氩室内部操作。照片：Alber Dyer，Fermilab

你如何检测几乎没有质量的粒子，感受到了四种基本力量中的两个，并且可以通过固体领先旅行整个光线而没有与物质进行互动？这是Neutrinos，幽灵般的颗粒在恒星，包括我们的太阳和地球上的核反应中产生的幽灵般的颗粒。科学家还可以在使用粒子促进剂中生产中微子来研究控制实验。可以检测到中微域的一种方式之一是填充有液体氩气的大型VATS，并用一个集成电路的复杂网包裹，可以在比海王星上的平均日更冷的温度更冷。

行业通常不使用在低温温度下运行的电子产品，因此粒子物理学家必须自己工程师。几家能源国家实验室（包括Fermilab）的合作一直在开发电子产品的原型，这些原型将最终用于国际深层地下中微子实验，称为沙丘，由Fermilab主持。沙丘将在伊利诺伊州的Fermilab中产生一个强烈的中微子射线，并通过地球壳向南达科他州的探测器发送800英里。实验的结果可能有助于科学家了解为什么比反物质更重要，这导致了宇宙形成的不平衡。

物理和寒意

沙丘的中微子探测器将是巨大的：共有四个坦克，每个都是四层建筑，将含有70,000吨的液体氩气，位于地球表面下方的洞穴中。

氩气自然发生作为我们氛围中的气体，并将其变成液体需要冷却到极冷的温度。液体氩气的原子核如此密集地包装在一起，从Fermilab旅行的一些着名的难以捉摸的中微子将与他们互动，留下其通过的讲述迹象。所得到的碰撞产生散射在所有方向的不同颗粒，包括电子，该物理学家用于重建否则看不见的中微子的路径。

保持在检测器内的强电场使得自由电子朝向连接到敏感电子器件的导线。当电子传播超过导线时，它们产生小的电压脉冲，该脉冲被液体氩室中的电子记录在一起。然后，腔室中的放大器通过增加电压来提升信号，之后它们被转换为数字数据。最后，通过整个腔室收集和数字化的信号被合并在一起，并将其发送到探测器外部的计算机以进行存储和分析。

冷却电子产品的挑战

中微子探测器的电子产品与我们在日常生活中使用的技术相同，一个主要的例外。我们的手机，计算机，摄像机，汽车，微波炉和其他器件中的集成电路已经开发出在室温下或周围运行，下降到约40摄氏度。然而，中性探测器中的液体氩气将冷却至约200度。

“如果您使用旨在在室温下工作的电子设备，很少发现它们几乎可以在任何地方工作，以及旨在在低温温度下运行的那些，”费尔米尔科学家大卫基督教说。

过去，通过将电子电路放置在氩气箱外面的情况下，这个问题被留下来。但是当您测量有限数量的电子时，即使是最轻微的电子噪声也可以掩盖您正在寻找的信号。

缓解问题的最简单方法涉及您用来将食物免于疏松的相同的策略：保持冷。如果所有电子器件浸没在液体氩气中，则来自原子的热振动较少，并且信噪比较大。将电子器件放入液体氩气罐中具有减少电线量的额外益处，您必须用于向放大器传送信号。例如，如果放大器和模数转换器保持在腔室外部（因为它们在某些中性探测器外），则长线必须将它们连接到内部的探测器。

“如果将电子产品放在寒冷的房间内，电线有更短的电线并因此降低噪音，”劳伦斯伯克利国家实验室的工程师Carl Grace说。“您可以放大信号并将其数字化在氩室中。然后你有一个数字界面到外部世界，噪音不再是一个问题。“

这些团队在开发期间必须克服这些团队的几个设计挑战，并非最少的是确定如何测试设备的持久性。

“这些筹码将不得不经营至少20多年，希望更长时间，”格蕾丝说。“并且由于氩室的性质，无法改变将其内部放入其中的电子产品。他们不能以任何方式交换或修理。“

由于Grace和他的团队没有20年来测试原型，他们通过增加供电的电压量来模拟规则，长期运行的磨损来近似老化的影响。

“我们采取电子产品，将它们冷却下来，然后提升他们的电压以加速他们的衰老，”Grace说。“通过在相对较短的时间内观察他们的行为，我们可以估计如果在他们设计的电压下运行，我们可以估计电子器件持续时间。”

电路抗性

这些电路不仅需要建造数十年的电路，还需要以另一种方式更加耐用。

电子电路具有一定量的电流耐受流过它的电流。当电子通过电路时，它们与导电材料内的振动原子相互作用，使它们减慢它们。但是当电子器件冷却到低温温度时，这些相互作用减少，并且构成信号的电子平均更快地移动。

这在输出方面是一件好事;为沙丘建造的集成电路将在放置在液体氩气时更有效地工作。但是，随着电子通过电路更快地行驶，随着温度下降，它们可以开始对电路本身进行损坏。

“如果电子足够高的动能，它们实际上可以从导电材料的晶体结构开始撕裂原子，”Grace表示。“这就像撞到墙壁的子弹。随着时间的推移，墙开始失去完整性。“

沙丘芯片旨在减轻这种效果。使用大型组成装置制造芯片以最小化累积的损坏量，并且它们在较低的电压下使用比通常在室温下使用的损坏。科学家还可以随着时间的推移调整操作参数，以补偿在多年使用期间发生的任何损坏。

时间表完成

随着沙丘的准备工作，并在2027年开始发行数据的实验，许多机构的科学家在工作开发电子原型时很难。

Brookhaven National实验室的科学家正在努力完善放大器，而Fermilab，Brookhaven和Berkeley Labs的团队正在与模数转换器设计合作。Fermilab还与南方卫理公会大学合作开发电子元件，以便在氩气箱内的所有数据传输到位于冷探测器外的电子产品之前。最后，在SLAC国家加速器实验室竞争设计的研究人员正试图找到一种有效地将所有三个组件结合到一个集成电路中的方法。

各部队计划今年夏天提交他们的电路设计以进行审查。选择的设计将在沙丘中微地区设施的沙丘中微耳探测器中建造并最终安装在南达科他州的桑福德地下中微子设施。

美国对LBNF / Dune的工作得到了科学能源部的支持。

Fermilab由美国能源部科学厅提供支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大基本研究支持者，正在努力解决我们时代最紧迫的挑战。