PNNL化学家Isaac Arnquist检查为敏感物理检测实验专门制造的超低辐射铜电缆。资料来源:太平洋西北国家实验室的安德里亚·斯塔尔

想象一下，你试图把收音机调到一个电台，但却遇到了来自你自己设备的静态噪音和干扰信号。这是研究团队面临的挑战，他们正在寻找极端罕见事件的证据，这些证据可能有助于理解宇宙中物质的起源和本质。事实证明，当你试图调谐到宇宙中一些最微弱的信号时，让你的仪器非常安静会有所帮助。

在世界各地，十几支队伍都在倾听流行音乐和电子音乐的咝咝声，这可能意味着他们最终调到了正确的频道。这些科学家和工程师竭尽全力保护他们的实验不受宇宙辐射产生的错误信号的影响。大多数这样的实验都是在非常难以接近的地方发现的，比如在加拿大安大略省萨德伯里的一个镍矿地下一英里处，或者在南达科他州铅的一个废弃金矿里，以保护它们免受地球上自然放射性元素的影响。然而，一个这样的假信号来源来自于电子设备中的天然放射性，这些电子设备是用来记录潜在信号的。

化学家艾萨克·阿奎斯特和博士后研究员泰勒·施利德正在检查一张为物理实验设计的超纯铜电缆。资料来源:太平洋西北国家实验室的安德里亚·斯塔尔

实现超纯电子

放射性污染物，即使浓度只有十亿分之一，也能模拟科学家们正在寻找的难以捉摸的信号。现在，美国能源部西北太平洋国家实验室的一个研究小组与加州一家小型企业合作伙伴Q-Flex公司合作，用超纯材料生产出了电子电缆。

这些电缆是专门设计和制造的，具有极低水平的放射性污染物，不会干扰高灵敏度的中微子和暗物质实验。科学家们在《EPJ技术与仪器》杂志上报告说，这些电缆不仅可以应用于物理实验，还可以用于减少电离辐射对未来量子计算机的干扰。

PNNL首席研究员Richard Saldanha说:“我们开创了一种技术，生产的电子电缆比目前的商业选择低100倍。”“这种制造方法和产品在任何对放射性污染物敏感的领域都有广泛的应用，即使是非常低水平的放射性污染物。”

一个超低辐射的电子电缆的特写，有几十个导电电路路径来监测敏感的物理实验。该样品电缆允许研究小组评估生产和清洁后的放射性纯度。资料来源:太平洋西北国家实验室的安德里亚·斯塔尔

对抗天然放射性的战斗

少量自然产生的放射性元素随处可见:岩石、泥土和空气中漂浮的灰尘。它们发出的辐射量非常低，不会对健康造成任何危害，但仍然足以给下一代中微子和暗物质探测器带来问题。

“我们通常需要比你在一点点污垢或灰尘中发现的污染水平清洁一百万倍，有时甚至十亿倍，”PNNL化学家Isaac Arnquist说，他是研究文章的合著者并领导了测量小组。

在这些实验中，Saldanha、Arnquist和PNNL的同事Maria Laura di Vacri、Nicole Rocco和Tyler Schlieder评估了最终产生探测器电缆的十几个加工步骤中每一步中铀、钍和钾的含量。该团队随后开发了特殊的清洁和制造技术，将污染降低到微不足道的水平。在一个超净、无尘、无污染的实验室里，PNNL的研究人员一丝不苟地计划着他们的每一步。

“我几乎把我们看作是表演运动员，因为我们做的每件事、每一个动作都是经过深思熟虑的。就好像我们是精心编排的舞者。”“当我们处理探测器样品材料时，不会浪费多余的运动或与样品的相互作用，因为这种相互作用可能会带来一些污染，从而限制了我们测量材料的能力。”

经过几年的工作和数百次测量，现在得到的电缆没有污染物，不会影响下一代暗物质和中微子实验(如DAMIC-M, OSCURA和nEXO)的运行。研究小组在他们的研究中指出，低放射性电缆可以提高实验的灵敏度，甚至可以使探测器设计更灵活。

离顿悟时刻越来越近

那么，研究人员在这些实验中究竟在寻找什么呢?在暗物质和中微子双β衰变的情况下，他们希望记录下极其罕见的事件，从而解决宇宙的两个关键谜团。这两个谜题都提出了一个基本问题，即宇宙为什么是现在这个样子。如果没有暗物质的存在，我们宇宙中的星系就不会形成。暗物质约占宇宙物质的85%，然而，我们从来没有直接观察到暗物质，只有它在宇宙中的引力印记。

也许更有趣的是，宇宙中为什么会有物质的问题可能取决于已知最小的物质粒子——中微子的一种独特性质。与所有其他基本粒子不同，中微子可能以物质和反物质的形式相互作用。如果这是真的，这可能会导致一种极其罕见的核衰变，称为中微子双衰变。科学家们正在建造由数吨敏感材料组成的大型实验，希望在未来十年内找到中微子双β衰变的第一个证据。

萨尔达尼亚说:“我们为消除干扰放射性所采取的每一步都使我们离找到暗物质或中微子双衰变的证据更近了一步。”

“这些柔性电缆有许多导电通道，需要读取复杂的信号，”Arnquist补充说。“比如说，当暗物质与探测器相互作用或发生中微子双β衰变时，它将产生一个需要准确记录的事件——读出——才能发现。我们需要把一个非常干净的放射性元素的复杂电子部件放入探测器的中心。”

低放射性技术的前景

耶鲁大学物理学家、PNNL合作者大卫·摩尔说:“下一代寻找无中微子双β衰变的实验将是有史以来放射性最低的实验之一。”“这些探测器使用如此纯净的材料，即使少量的正常布线材料也会淹没探测器其余部分的放射性，因此开发超低背景电缆来读取这种探测器是一个重大挑战。”PNNL和Q-Flex最近的工作是实现这些探测器的关键，并将减少电缆背景，使其成为以前技术可能的一小部分。”

升级高灵敏度DAMIC-M暗物质实验的计划已经在进行中，新的超纯电缆是计划安装在探测器上的关键改进之一。

华盛顿大学的物理学家、DAMIC-M项目的合作者阿尔瓦罗·E·查瓦里亚(Alvaro E Chavarria)说，“我们的探测器中无法避免的一个组件是传输信号的电缆，它的放射性必须非常低。”“在最近的PNNL开发之前，最好的解决方案是微同轴电缆，它携带的信号太少，需要对探测器进行重大的重新设计。这一发展非常令人兴奋，因为它可以将行业标准的柔性电路技术用于低背景应用。”

PNNL科学家和其他合作者最近的研究发现表明，一些量子计算设备的性能可能会受到微量放射性污染物的影响。虽然目前放射性并不是限制现有量子计算机能力的因素，但未来的量子设备可能需要低放射性电缆来增强其性能。

Saldanha说:“我们看到了这些电缆在广泛的敏感辐射探测器中应用的潜力，也许还有其他应用，比如量子计算。”

参考文献:“超低放射性柔性印刷电缆”由Isaac J. Arnquist, Maria Laura di Vacri, Nicole Rocco, Richard Saldanha, Tyler Schlieder, Raj Patel, Jay Patil, Mario Perez和Harshad Uka, 2023年9月19日，EPJ技术和仪器。DOI: 10.1140 / epjti / s40485 - 023 - 00104 - 6

这项研究得到了能源部科学办公室早期职业研究和小企业创新研究项目的支持。