Em fevereiro e março, três lotes de placas de cobre chegaram ao Fermilab e foram armazenados a 100 metros de profundidade. O cobre foi extraído na Finlândia, laminados em placas na Alemanha e enviados por terra e mar para o laboratório - tudo em 120 dias. Na busca para detectar matéria escura, a substância misteriosa que compõe 85% da matéria do universo, cada dia que o cobre passou acima do solo importava.

"Na superfície da Terra, estamos em uma chuva de raios cósmicos, "disse o cientista do Fermilab Dan Bauer.

Quando essas partículas de alta energia originadas do espaço atingem um átomo de cobre, eles 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. O número minúsculo de átomos de cobre convertidos em cobalto não tem impacto no uso diário do cobre. Mas Bauer e outros que trabalham na pesquisa supercriogênica de matéria escura devem tomar medidas drásticas para garantir que o cobre que usam seja o mais puro possível.

O mais recente em uma linhagem de experimentos semelhantes, SuperCDMS irá procurar por matéria escura no SNOLAB, um laboratório subterrâneo perto de Sudbury, Ontário, Canadá. As placas de cobre acabarão por assumir a forma de seis latas de refrigerante de grandes dimensões dispostas como bonecos aninhados. A lata mais interna abrigará dispositivos de germânio e silício projetados para detectar partículas massivas hipotetizadas de fraca interação, ou WIMPs, especialmente aqueles com menos de 10 vezes a massa de um próton. A lata mais externa selada a vácuo medirá um pouco mais de um metro de diâmetro. Toda a engenhoca, apelidado de SNOBOX, será conectado por meio de um conjunto de hastes de cobre a um refrigerador especial que resfriará os detectores a uma pequena fração de grau acima do zero absoluto.

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

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

Enquanto isso, partículas de matéria comum voando através dos detectores SuperCDMS podem produzir assinaturas estranhas, conhecido como plano de fundo, isso abafaria os sinais das interações de matéria escura.

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

Isso nos traz de volta ao cobalto-60.

"O resultado final é que quanto mais tempo o cobre permanece na superfície sendo exposto aos raios cósmicos, quanto mais cobalto-60 é criado, "explicou Matthew Hollister do Fermilab, o 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."

O cobalto-60 não é a única impureza com que se preocupar. Isótopos radioativos de urânio, tório e potássio ocorrem naturalmente na crosta terrestre, portanto, a equipe do SuperCDMS teve que comprar cobre proveniente de uma mina com o mínimo possível desses metais. As impurezas não radioativas importam, também - eles podem diminuir a capacidade do cobre de conduzir calor, tornando assim mais difícil manter os detectores frios. No total, o cobre para SuperCDMS deve ser mais de 99,99% puro com menos de 0,1 partes por bilhão de impurezas radioativas.

Entre as impurezas intrínsecas e aquelas introduzidas por corte, enrolando e transportando o cobre, as placas que agora estão no subsolo do Fermilab não estão totalmente intocadas.

"Grande parte do processo não é algo sobre o qual tenhamos controle direto, "Hollister disse." Parte disso é realmente um tiro no escuro sobre o que vamos acabar tendo no final do dia. "

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. Breve, as placas sairão do Fermilab para a fabricação, e o relógio de cobalto estará correndo mais uma vez até que as latas cheguem a sua casa no SNOLAB.

"O último passo antes de levá-los para o subsolo será borrifá-los com uma decapagem ácida que irá decolar algumas dezenas de mícrons da superfície, "Disse Bauer.

Uma solução de peróxido de hidrogênio e ácido clorídrico diluído removerá quaisquer impurezas superficiais que se acumularam no processo de fabricação. E uma solução fraca de ácido cítrico preservará a alta condutividade térmica do cobre, protegendo-o da oxidação durante o experimento.

A colaboração do SuperCDMS planeja começar a coletar dados em 2022. Em suma, esta iteração do experimento visa níveis de fundo 100 vezes mais baixos do que seu antecessor, graças em grande parte à pureza do cobre. Com o aumento da sensibilidade, os pesquisadores esperam localizar quaisquer WIMPs de baixa massa que possam estar na vizinhança.

"Este programa está há muito tempo em desenvolvimento, então é bom ver que está começando a se encaixar, "Hollister disse." O SNOBOX é realmente a última peça importante, por isso, estamos ansiosos para instalá-lo e colocá-lo em operação o mais rápido possível. "

A pesquisa do SuperCDMS sobre matéria escura é apoiada pelo DOE's Office of Science e pela National Science Foundation, bem como a Canada Foundation for Innovation e SNOLAB.