Como você detecta uma partícula que quase não tem massa, sente apenas duas das quatro forças fundamentais, e pode viajar sem obstáculos através de chumbo sólido por um ano-luz inteiro sem nunca interagir com a matéria? Este é o problema apresentado pelos neutrinos, partículas fantasmagóricas que são geradas na casa dos trilhões por reações nucleares nas estrelas, incluindo nosso sol, e na Terra. Os cientistas também podem produzir neutrinos para estudar em experimentos controlados usando aceleradores de partículas. Uma das maneiras pelas quais os neutrinos podem ser detectados é com grandes tonéis cheios de argônio líquido e envoltos em uma complexa teia de circuitos integrados que podem operar em temperaturas mais frias do que a média de um dia em Netuno.

A indústria normalmente não usa eletrônicos que operam em temperaturas criogênicas, portanto, os físicos de partículas tiveram que projetar seus próprios. Uma colaboração de vários laboratórios nacionais do Departamento de Energia, incluindo Fermilab, tem desenvolvido protótipos de eletrônicos que serão usados ​​no experimento internacional Deep Underground Neutrino, chamado DUNE, hospedado pelo Fermilab. O DUNE irá gerar um intenso feixe de neutrinos no Fermilab em Illinois e enviá-lo por 800 milhas através da crosta terrestre para detectores em Dakota do Sul. Os resultados do experimento podem ajudar os cientistas a entender por que há mais matéria do que antimatéria, um desequilíbrio que levou à formação do nosso universo.

Física e descontração

Os detectores de neutrino da DUNE serão enormes:um total de quatro tanques, cada um com a altura de um prédio de quatro andares, conterá um conjunto de 70, 000 toneladas de argônio líquido e estar situado em uma caverna uma milha abaixo da superfície da Terra.

O argônio ocorre naturalmente como um gás em nossa atmosfera, e transformá-lo em um líquido envolve resfriá-lo a temperaturas extremamente baixas. Os núcleos atômicos do argônio líquido são tão densamente compactados que alguns dos famosos neutrinos evasivos que viajam do Fermilab irão interagir com eles, deixando para trás sinais reveladores de sua passagem. A colisão resultante produz diferentes partículas que se espalham em todas as direções, incluindo elétrons, que os físicos usam para reconstruir o caminho do neutrino invisível.

Um forte campo elétrico mantido dentro do detector faz com que os elétrons livres derivem em direção a fios conectados a componentes eletrônicos sensíveis. À medida que os elétrons passam pelos fios, eles geram pequenos pulsos de voltagem que são registrados pela eletrônica na câmara de argônio líquido. Amplificadores na câmara, então, aumentam o sinal aumentando a voltagem, após o qual eles são convertidos em dados digitais. Finalmente, os sinais coletados e digitalizados em toda a câmara são combinados e enviados para computadores fora do detector para armazenamento e análise.

Desafios para eletrônicos refrigerados

A eletrônica dos detectores de neutrino funciona da mesma forma que a tecnologia que usamos em nosso dia a dia, com uma grande exceção. O circuito integrado em nossos telefones, computadores, máquinas fotográficas, carros, microondas e outros dispositivos foram desenvolvidos para operar em ou próximo à temperatura ambiente, até cerca de 40 graus Celsius negativos. O argônio líquido em detectores de neutrino, Contudo, é resfriado a cerca de 200 graus negativos.

"Se você usa eletrônicos projetados para funcionar em temperatura ambiente, raramente você acha que eles funcionam em qualquer lugar quase tão bem quanto aqueles projetados para operar em temperaturas criogênicas, "disse o cientista do Fermilab David Christian.

No passado, esse problema foi evitado completamente colocando o circuito eletrônico fora dos tanques de argônio. Mas quando você mede um número limitado de elétrons, mesmo a menor quantidade de ruído eletrônico pode mascarar o sinal que você está procurando.

A maneira mais fácil de mitigar o problema envolve a mesma tática que você usa para evitar que a comida estrague:mantenha-a fria. Se todos os eletrônicos estiverem submersos no argônio líquido, há menos vibrações térmicas dos átomos e uma relação sinal-ruído maior. Colocar os componentes eletrônicos no tanque de argônio líquido tem o benefício adicional de diminuir a quantidade de fio que você precisa usar para enviar sinais aos amplificadores. Se, por exemplo, amplificadores e conversores analógico-digital são mantidos fora da câmara (como são em alguns detectores de neutrino), fios longos devem conectá-los aos detectores internos.

"Se você colocar os eletrônicos dentro da câmara fria, você tem fios muito mais curtos e, portanto, menos ruído, "disse Carl Grace, engenheiro do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. "Você amplifica o sinal e o digitaliza na câmara de argônio. Você então tem uma interface digital para o mundo externo em que o ruído não é mais uma preocupação."

Existem vários desafios de design que essas equipes tiveram que superar durante o desenvolvimento, não menos importante era determinar como testar a durabilidade dos dispositivos.

"Esses chips terão que operar por um período mínimo de 20 anos ímpares, esperançosamente mais, "Grace disse." E por causa da natureza das câmaras de argônio, os componentes eletrônicos que são colocados dentro deles não podem ser alterados. Eles não podem ser trocados ou reparados de nenhuma forma. "

Como Grace e sua equipe não têm 20 anos para testar seus protótipos, eles aproximaram os efeitos do envelhecimento, aumentando a quantidade de tensão que alimenta os chips para simular o desgaste de operação de longo prazo.

"Pegamos a eletrônica, resfrie-os e aumente sua voltagem para acelerar seu envelhecimento, "Grace disse." Ao observar o comportamento deles durante um período de tempo relativamente curto, podemos, então, podemos estimar quanto tempo os componentes eletrônicos durariam se operassem nas tensões para as quais foram projetados. "

Resistência em circuitos

Não apenas esses circuitos precisam ser construídos para durar décadas, eles também precisam ser mais duráveis ​​de outra maneira.

O circuito eletrônico tem uma certa resistência à corrente elétrica que flui por ele. À medida que os elétrons passam por um circuito, eles interagem com os átomos vibrantes dentro do material condutor, o que os retarda. Mas essas interações são reduzidas quando os componentes eletrônicos são resfriados a temperaturas criogênicas, e os elétrons que constituem o sinal se movem mais rapidamente, em média.

Isso é bom em termos de produção; os circuitos integrados que estão sendo construídos para o DUNE funcionarão com mais eficiência quando colocados no argônio líquido. Mas, conforme os elétrons viajam mais rápido através dos circuitos conforme a temperatura cai, eles podem começar a causar danos ao próprio circuito.

"Se os elétrons têm uma energia cinética alta o suficiente, eles podem realmente começar a rasgar átomos da estrutura cristalina do material condutor, "Grace disse." É como balas atingindo uma parede. A parede começa a perder integridade com o tempo. "

Os chips DUNE são projetados para atenuar esse efeito. Os chips são fabricados usando grandes dispositivos constituintes para minimizar a quantidade de danos acumulados, e eles são usados ​​em tensões mais baixas do que normalmente usados ​​em temperatura ambiente. Os cientistas também podem ajustar os parâmetros operacionais ao longo do tempo para compensar qualquer dano que ocorra durante seus muitos anos de uso.

Linha do tempo para conclusão

Com os preparativos para o DUNE bem encaminhados e o experimento programado para começar a gerar dados em 2027, cientistas de muitas instituições têm trabalhado arduamente no desenvolvimento de protótipos eletrônicos.

Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven estão trabalhando no aperfeiçoamento do amplificador, enquanto as equipes do Fermilab, Os laboratórios de Brookhaven e Berkeley estão colaborando no projeto do conversor analógico-digital. O Fermilab também se associou à Southern Methodist University para desenvolver o componente eletrônico que mescla todos os dados dentro de um tanque de argônio antes de serem transmitidos aos aparelhos eletrônicos localizados fora do detector de frio. Finalmente, pesquisadores trabalhando em um projeto concorrente no SLAC National Accelerator Laboratory estão tentando encontrar uma maneira de combinar com eficiência todos os três componentes em um circuito integrado.

As várias equipes planejam enviar seus projetos de circuito neste verão para revisão. Os projetos selecionados serão construídos e finalmente instalados nos detectores de neutrinos DUNE nas instalações subterrâneas de neutrinos de Sanford, em Dakota do Sul.