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Imagine tentar sintonizar um rádio em uma única estação, mas em vez disso encontrar ruído estático e sinais de interferência do seu próprio equipamento. Esse é o desafio enfrentado pelas equipas de investigação que procuram evidências de eventos extremamente raros que possam ajudar a compreender a origem e a natureza da matéria no Universo. Acontece que quando você está tentando sintonizar alguns dos sinais mais fracos do universo, isso ajuda a deixar seus instrumentos muito silenciosos.
Em todo o mundo, mais de uma dúzia de equipes estão ouvindo os pops e o chiado eletrônico, o que pode significar que finalmente sintonizaram o canal certo. Estes cientistas e engenheiros fizeram de tudo para proteger as suas experiências de sinais falsos criados pela radiação cósmica. A maioria dessas experiências são encontradas em locais muito inacessíveis – como a um quilómetro e meio de profundidade, numa mina de níquel em Sudbury, Ontário, Canadá, ou numa mina de ouro abandonada em Lead, Dakota do Sul – para protegê-los dos elementos naturalmente radioactivos da Terra. No entanto, uma dessas fontes de sinais falsos vem da radioatividade natural nos próprios componentes eletrônicos projetados para registrar sinais potenciais.
Os contaminantes radioativos, mesmo em concentrações tão pequenas quanto uma parte por bilhão, podem imitar os sinais ilusórios que os cientistas procuram. Agora, uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia, trabalhando com a Q-Flex Inc., uma pequena empresa parceira na Califórnia, produziu cabos eletrônicos com materiais ultrapuros. Esses cabos são especialmente projetados e fabricados para ter níveis extremamente baixos de contaminantes radioativos que não interferirão em experimentos altamente sensíveis de neutrinos e matéria escura. Os cientistas relatam na revista EPJ Techniques and Instrumentation que os cabos têm aplicações não apenas em experimentos de física, mas também podem ser úteis para reduzir o efeito da radiação ionizante que interfere em futuros computadores quânticos.
“Fomos pioneiros em uma técnica para produzir cabeamento eletrônico que é cem vezes menor do que as opções atuais disponíveis comercialmente”, disse o investigador principal do PNNL, Richard Saldanha. “Esta abordagem de fabricação e produto tem ampla aplicação em qualquer campo que seja sensível à presença de níveis muito baixos de contaminantes radioativos.”
Um balé coreografado ultrassilencioso
Pequenas quantidades de elementos radioativos naturais são encontradas em todos os lugares: em rochas, sujeira e poeira flutuando no ar. A quantidade de radiação que emitem é tão baixa que não representa qualquer perigo para a saúde, mas ainda é suficiente para causar problemas aos detectores de neutrinos e matéria escura da próxima geração.
“Normalmente precisamos ficar um milhão ou às vezes um bilhão de vezes mais limpos do que os níveis de contaminação que você encontraria em apenas uma pequena partícula de sujeira ou poeira”, disse o químico do PNNL Isaac Arnquist, coautor do artigo de pesquisa e liderou a equipe de medição. .
Para esses experimentos, Saldanha, Arnquist e os colegas do PNNL Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco e Tyler Schlieder avaliaram a quantidade de urânio, tório e potássio em cada etapa das cerca de uma dúzia de etapas de processamento que finalmente produzem um cabo detector. A equipe desenvolveu então técnicas especiais de limpeza e fabricação para reduzir a contaminação a níveis insignificantes. Trabalhando em um laboratório ultralimpo, livre de poeira e contaminantes, os pesquisadores do PNNL planejam meticulosamente cada movimento seu.
“Quase penso em nós como atletas de performance porque tudo, cada movimento que fazemos, é extremamente pensado. É quase como se fôssemos dançarinos coreografados”, disse Arnquist. “Quando manuseamos o material de uma amostra de detector, não há desperdício de movimento estranho ou interação com a amostra, porque essa interação pode transmitir alguma contaminação que limita o quão bem podemos medir os materiais.”
Após vários anos de trabalho e centenas de medições, os cabos resultantes estão agora tão livres de contaminantes que não afetarão a operação da próxima geração de experimentos de matéria escura e neutrinos, como DAMIC-M, OSCURA e nEXO. A equipe de pesquisa destaca em seu estudo que cabos de baixa radioatividade podem aumentar a sensibilidade dos experimentos e até permitir mais flexibilidade no projeto do detector.
Aproximando-se do momento a-ha
Então, exatamente o que os pesquisadores procuram nesses experimentos? No caso da matéria escura e do decaimento beta duplo sem neutrinos, eles esperam registrar eventos extremamente raros que poderiam resolver dois mistérios importantes do universo. Ambos os mistérios colocam questões fundamentais sobre por que o universo tem essa aparência. As galáxias que preenchem o nosso universo não teriam se formado sem a existência de matéria escura. A matéria escura representa cerca de 85 por cento da matéria do universo e, ainda assim, nunca observamos a matéria escura diretamente, apenas a sua impressão gravitacional no universo. Talvez mais intrigante, a questão de saber por que existe matéria no universo pode depender de uma propriedade única das menores partículas conhecidas de matéria – o neutrino. Ao contrário de todas as outras partículas fundamentais, os neutrinos poderiam interagir tanto como matéria quanto como antimatéria. Se for verdade, isso poderia resultar em um decaimento nuclear extremamente raro chamado decaimento beta duplo sem neutrinos. Os cientistas estão construindo grandes experimentos que consistem em muitas toneladas de material sensível, na esperança de encontrar a primeira evidência de decaimento beta duplo sem neutrinos na próxima década.
“Cada passo que tomamos para eliminar a radioatividade interferente nos aproxima de encontrar evidências de matéria escura ou decaimento beta duplo sem neutrinos”, disse Saldanha.
“Esses cabos flexíveis possuem muitos caminhos condutores, necessários para a leitura de sinais complicados”, acrescentou Arnquist. “Quando, digamos, a matéria escura interage com o detector ou ocorre um decaimento beta duplo sem neutrinos, isso criará um evento que precisa ser registrado com precisão – lido – para fazer a descoberta. Precisamos colocar uma peça eletrônica complexa que está extremamente livre de elementos radioativos no coração do detector.”
“As pesquisas da próxima geração por decaimento beta duplo sem neutrinos estarão entre os experimentos de radioatividade mais baixos já construídos”, disse David Moore, físico da Universidade de Yale e colaborador do PNNL. “Esses detectores usam materiais tão puros que mesmo uma pequena quantidade de materiais de cabeamento normais sobrecarregaria a radioatividade de todo o resto do detector, portanto, desenvolver cabos de fundo ultrabaixo para ler esses detectores é um grande desafio. Este trabalho recente de PNNL e Q-Flex são fundamentais para habilitar esses detectores e reduzirão o histórico de cabeamento a uma pequena fração do que era possível com tecnologias anteriores.”
Já está em andamento o planejamento para atualizar o experimento de matéria escura altamente sensível DAMIC-M e os novos cabos ultrapuros são uma das principais melhorias programadas para instalação no detector.
“Um componente que não podemos evitar no nosso detector são os cabos que transmitem os sinais, que devem ter radioatividade muito baixa”, disse Alvaro E Chavarria, físico da Universidade de Washington e colaborador do projeto DAMIC-M. . “Antes deste recente desenvolvimento do PNNL, a melhor solução eram os cabos microcoaxiais, que transportavam poucos sinais e exigiriam uma reformulação significativa do nosso detector. Este desenvolvimento é muito emocionante, pois permite o uso do circuito flexível padrão da indústria tecnologia para aplicações de baixo background.”
Descobertas recentes de pesquisas realizadas por cientistas do PNNL e outros colaboradores indicam que o desempenho de alguns dispositivos de computação quântica pode ser afetado pela presença de vestígios de contaminantes radioativos. Embora a radioatividade não seja atualmente o que limita as capacidades dos computadores quânticos existentes, é possível que os dispositivos quânticos do futuro possam necessitar de cabos de baixa radioatividade para melhorar o seu desempenho.
“Vemos o potencial desses cabos para encontrar aplicações em uma ampla gama de detectores de radiação sensíveis e talvez em outras aplicações, como a computação quântica”, disse Saldanha.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia, Escritório de Ciência, no âmbito de seus programas de Pesquisa em Início de Carreira e Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas.
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