Come si rileva una particella che non ha quasi massa, sente solo due delle quattro forze fondamentali, e può viaggiare senza ostacoli attraverso il piombo solido per un intero anno luce senza mai interagire con la materia? Questo è il problema posto dai neutrini, particelle spettrali generate a migliaia di miliardi da reazioni nucleari nelle stelle, compreso il nostro sole, e sulla Terra. Gli scienziati possono anche produrre neutrini da studiare in esperimenti controllati utilizzando acceleratori di particelle. Uno dei modi in cui è possibile rilevare i neutrini è con grandi vasche riempite di argon liquido e avvolte da una complessa rete di circuiti integrati che possono funzionare a temperature più fredde rispetto alla giornata media su Nettuno.

L'industria in genere non utilizza l'elettronica che opera a temperature criogeniche, così i fisici delle particelle hanno dovuto progettarne uno proprio. Una collaborazione di diversi laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia, compreso Fermilab, ha sviluppato prototipi dell'elettronica che alla fine sarà utilizzata nell'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino, chiamato DUNA, affittato da Fermilab. DUNE genererà un intenso raggio di neutrini al Fermilab nell'Illinois e lo invierà a 800 miglia attraverso la crosta terrestre ai rilevatori nel South Dakota. I risultati dell'esperimento possono aiutare gli scienziati a capire perché c'è più materia che antimateria, uno squilibrio che ha portato alla formazione del nostro universo.

Fisica e freddo

I rivelatori di neutrini di DUNE saranno enormi:un totale di quattro serbatoi, ciascuno alto come un edificio di quattro piani, conterrà un insieme di 70, 000 tonnellate di argon liquido e trovarsi in una caverna a un miglio sotto la superficie terrestre.

L'argon si trova naturalmente come gas nella nostra atmosfera, e trasformarlo in liquido significa raffreddarlo a temperature estremamente basse. I nuclei atomici dell'argon liquido sono così densamente impacchettati insieme che alcuni dei famosi e sfuggenti neutrini che viaggiano dal Fermilab interagiranno con loro, lasciando segni rivelatori del loro passaggio. La collisione risultante produce particelle diverse che si disperdono in tutte le direzioni, compresi gli elettroni, che i fisici usano per ricostruire il percorso del neutrino altrimenti invisibile.

Un forte campo elettrico mantenuto all'interno del rivelatore provoca la deriva degli elettroni liberi verso i fili collegati all'elettronica sensibile. Mentre gli elettroni viaggiano oltre i fili, generano piccoli impulsi di tensione che vengono registrati dall'elettronica nella camera ad argon liquido. Gli amplificatori nella camera quindi amplificano il segnale aumentando la tensione, dopodiché vengono convertiti in dati digitali. Finalmente, i segnali raccolti e digitalizzati in tutta la camera vengono fusi insieme e inviati a computer esterni al rivelatore per l'archiviazione e l'analisi.

Sfide per l'elettronica refrigerata

L'elettronica dei rivelatori di neutrini funziona allo stesso modo della tecnologia che usiamo nella nostra vita quotidiana, con una grande eccezione. I circuiti integrati nei nostri telefoni, computer, macchine fotografiche, macchine, microonde e altri dispositivi sono stati sviluppati per funzionare a o intorno alla temperatura ambiente, fino a circa meno 40 gradi Celsius. L'argon liquido nei rivelatori di neutrini, però, viene raffreddato a circa meno 200 gradi.

"Se utilizzi un'elettronica progettata per funzionare a temperatura ambiente, raramente trovi che funzionino da qualche parte così bene come quelli progettati per funzionare a temperature criogeniche, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab David Christian.

Nel passato, questo problema è stato del tutto aggirato posizionando i circuiti elettronici all'esterno dei serbatoi di argon. Ma quando misuri un numero limitato di elettroni, anche la minima quantità di rumore elettronico può mascherare il segnale che stai cercando.

Il modo più semplice per mitigare il problema prevede la stessa tattica che usi per evitare che il cibo si rovini:tienilo al fresco. Se tutta l'elettronica è immersa nell'argon liquido, ci sono meno vibrazioni termiche dagli atomi e un maggiore rapporto segnale-rumore. Posizionare l'elettronica nel serbatoio di argon liquido ha l'ulteriore vantaggio di ridurre la quantità di filo che devi usare per fornire segnali agli amplificatori. Se, Per esempio, amplificatori e convertitori analogico-digitali sono tenuti all'esterno della camera (come in alcuni rivelatori di neutrini), cavi lunghi devono collegarli ai rilevatori all'interno.

"Se metti l'elettronica nella camera fredda, hai fili molto più corti e quindi meno rumore, " ha detto Carlo Grazia, un ingegnere al Lawrence Berkeley National Laboratory. "Amplifichi il segnale e lo digitalizzi nella camera dell'argon. Quindi hai un'interfaccia digitale con il mondo esterno in cui il rumore non è più un problema".

Ci sono diverse sfide di progettazione che questi team hanno dovuto superare durante lo sviluppo, non ultimo dei quali è stato determinare come testare la durata dei dispositivi.

"Questi chip dovranno funzionare per un minimo di 20 anni dispari, speriamo più a lungo, " disse Grace. "E a causa della natura delle camere di argon, l'elettronica che viene messa al loro interno non può essere cambiata. Non possono essere scambiati o riparati in alcun modo."

Dal momento che Grace e il suo team non hanno 20 anni per testare i loro prototipi, hanno approssimato gli effetti dell'invecchiamento aumentando la quantità di tensione che alimenta i chip per simulare l'usura dei normali, funzionamento a lungo termine.

"Prendiamo l'elettronica, raffreddarli e poi elevarne la tensione per accelerarne l'invecchiamento, " Grace ha detto. "Osservando il loro comportamento per un periodo di tempo relativamente breve, possiamo quindi stimare quanto tempo durerebbe l'elettronica se funzionasse alle tensioni per cui è stata progettata."

Resistenza nei circuiti

Non solo questi circuiti devono essere costruiti per durare decenni, devono anche essere resi più durevoli in un altro modo.

I circuiti elettronici hanno una certa resistenza alla corrente elettrica che li attraversa. Quando gli elettroni passano attraverso un circuito, interagiscono con gli atomi vibranti all'interno del materiale conduttore, che li rallenta. Ma queste interazioni si riducono quando l'elettronica viene raffreddata a temperature criogeniche, e gli elettroni che costituiscono il segnale si muovono mediamente più velocemente.

Questa è una buona cosa in termini di output; i circuiti integrati in costruzione per DUNE funzioneranno in modo più efficiente se posti nell'argon liquido. Ma, poiché gli elettroni viaggiano più velocemente attraverso i circuiti quando le temperature scendono, possono iniziare a danneggiare i circuiti stessi.

"Se gli elettroni hanno un'energia cinetica sufficientemente alta, possono effettivamente iniziare a strappare atomi dalla struttura cristallina del materiale conduttore, " Grace ha detto. "È come se i proiettili colpissero un muro. Il muro inizia a perdere integrità nel tempo".

I chip DUNE sono progettati per mitigare questo effetto. I chip sono fabbricati utilizzando dispositivi di grandi dimensioni per ridurre al minimo la quantità di danni accumulati, e vengono utilizzati a tensioni inferiori rispetto a quelle normalmente utilizzate a temperatura ambiente. Gli scienziati possono anche regolare i parametri operativi nel tempo per compensare eventuali danni che si verificano durante i loro molti anni di utilizzo.

Cronologia fino al completamento

Con i preparativi per DUNE a buon punto e l'esperimento che dovrebbe iniziare a generare dati entro il 2027, scienziati di molte istituzioni hanno lavorato duramente per sviluppare prototipi elettronici.

Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory stanno lavorando per perfezionare l'amplificatore, mentre le squadre del Fermilab, I laboratori Brookhaven e Berkeley stanno collaborando alla progettazione del convertitore analogico-digitale. Fermilab ha anche collaborato con la Southern Methodist University per sviluppare il componente elettronico che unisce tutti i dati all'interno di un serbatoio di argon prima che vengano trasmessi all'elettronica situata all'esterno del rilevatore di freddo. Finalmente, i ricercatori che lavorano su un progetto concorrente presso lo SLAC National Accelerator Laboratory stanno cercando di trovare un modo per combinare in modo efficiente tutti e tre i componenti in un circuito integrato.

I vari team hanno in programma di presentare i loro progetti di circuiti questa estate per la revisione. I progetti selezionati saranno costruiti e infine installati nei rivelatori di neutrini DUNE presso la Sanford Underground Neutrino Facility in South Dakota.