为超低温暗物质探测实验设计的SNOBOX将配备铜嵌套。
SNOBOX的设计剖面图。
在今年二、三月，三批铜板到达美国费米实验室并被紧急储存，它们在暗物质的探索过程中扮演着关键角色。暗物质是一种神秘的物质，在宇宙物质中的占比高达85%。当这些来自太空的高能粒子撞击铜原子时，会“踢走”一个质子和中子，产生钴-60原子。钴-60具有放射性，会自发衰变成其他粒子。极少量的铜原子转化成钴对铜的日常使用是没有影响的，然而，对于费米实验室的科学家而言，铜的纯度却能决定最新暗物质实验的成败。
研究人员将在加拿大的地下实验室SNOLAB中开展暗物质搜寻工作。为此，他们用超纯铜制造了一种嵌套的易拉罐状装置SNOBOX——最内侧的铜罐装有锗-硅器件，可以用于探测假设的弱相互作用大质量粒子（WIMPs），而与SNOBOX相连的特殊的冷却装置可以将系统温度降低至接近绝对零度。在如此低温下，热振动变得非常微弱，WIMPs在与原子碰撞时会留下可探测的“蛛丝马迹”。
普通物质粒子在穿过SCDM探测器时可能产生无关信号，将暗物质相互作用发出的信号淹没。为了减少干扰，研究人员在地下建立实验室，并用铅、塑料和水将SNOBOX层层包围，由此过滤掉环境中大部分干扰粒子。然而，铜材料中的任何放射性杂质都可能释放干扰粒子。铜暴露在宇宙射线下的时间越长，就有越多钴-60形成。而且，钴-60并不是唯一需要考虑的干扰因素。由于铀、钍和钾的放射性同位素自然存在于地壳中，也极有可能影响实验铜材料的纯度。
因此，研究人员需尽量从规避这些元素的铜矿中购买材料。此外，非放射性杂质也会降低铜的导热性能，导致探测器难以维持低温环境。总体而言，SCDM项目使用的铜的纯度必须超过99.99%，放射性杂质含量须低于十亿分之一。
由于切割、轧制和运输都可能引入杂质，费米实验室地下实验室中的铜板并不是绝对纯净。对此，工作人员采取了重重措施全力控制，如：酸蚀刻。随着实验灵敏度的提高，研究人员希望能发现附近可能存在的任何低质量WIMPs。
费米实验室研究人员、SCDM探测系统负责人Matthew Hollister表示：“SNOBOX是我们启动SCDM项目的关键。我们期待着它能尽快完成安装并正常运行。”
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编译：德克斯特
审稿：西莫
责编：陈之涵
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https://phys.org/news/2020-10-ultrapure-copper-ultrasensitive-dark-detector.html
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