A febbraio e marzo, tre lotti di lastre di rame sono arrivati ​​al Fermilab e sono stati trasportati in un deposito a 100 metri di profondità. Il rame era stato estratto in Finlandia, arrotolato in lastre in Germania e spedito via terra e via mare al laboratorio, il tutto entro 120 giorni. Nella ricerca per rilevare la materia oscura, la misteriosa sostanza che costituisce l'85% della materia nell'universo, ogni giorno che il rame speso fuori terra contava.

"Sulla superficie della Terra, siamo in una pioggia di raggi cosmici, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab Dan Bauer.

Quando queste particelle ad alta energia provenienti dallo spazio colpiscono un atomo di rame, possono eliminare protoni e neutroni per produrre un altro atomo chiamato cobalto-60. Il cobalto-60 è radioattivo, il che significa che è instabile e decade spontaneamente in altre particelle. Il minuscolo numero di atomi di rame convertiti in cobalto non ha alcun impatto sugli usi quotidiani del rame. Ma Bauer e altri che lavorano alla ricerca super criogenica della materia oscura devono adottare misure drastiche per garantire che il rame che usano sia il più puro possibile.

L'ultimo di una serie di esperimenti simili, SuperCDMS cercherà la materia oscura allo SNOLAB, un laboratorio sotterraneo vicino a Sudbury, Ontario, Canada. Le lastre di rame alla fine prenderanno la forma di sei lattine di soda di grandi dimensioni disposte come bambole nidificanti. La lattina più interna ospiterà dispositivi al germanio e al silicio progettati per rilevare particelle massicce ipotizzate che interagiscono debolmente, o WIMP, specialmente quelli con meno di 10 volte la massa di un protone. La lattina più esterna sottovuoto misurerà poco più di un metro di diametro. L'intero aggeggio, soprannominato SNOBOX, sarà collegato tramite una serie di steli di rame a uno speciale frigorifero che raffredderà i rilevatori fino a una minuscola frazione di grado sopra lo zero assoluto.

A temperature così rigide, le vibrazioni termiche sono così piccole che un WIMP potrebbe lasciare un segnale rilevabile in caso di collisione con un atomo.

Ma "stai cercando un ago in un pagliaio con la materia oscura, " Bauer ha detto. "Il meglio che otterrai è forse qualche evento all'anno".

Nel frattempo, le particelle di materia ordinaria che volano attraverso i rivelatori SuperCDMS potrebbero produrre firme estranee, noto come sfondo, che annegherebbero i segnali delle interazioni con la materia oscura.

Seppellire SuperCDMS a due chilometri sottoterra e avvolgere lo SNOBOX in strati di piombo, la plastica e l'acqua elimineranno quasi tutte le particelle indesiderate nell'ambiente. Ma niente si frappone tra le lattine di rame ei rilevatori. E mentre la capacità superiore del rame di trasportare il calore lo rende ideale per il raffreddamento dei rivelatori, qualsiasi impurità radioattiva nel metallo emetterebbe particelle di fondo.

Questo ci riporta al cobalto-60.

"La linea di fondo è che più a lungo il rame rimane sulla superficie esposta ai raggi cosmici, più cobalto-60 viene creato, " ha spiegato Matthew Hollister del Fermilab, il gestore del sistema criogenico SuperCDMS. "Quindi parte del budget di base per l'esperimento include un limite di tempo per l'esposizione della superficie".

Il cobalto-60 non è l'unica impurità di cui preoccuparsi. isotopi radioattivi dell'uranio, torio e potassio si trovano naturalmente nella crosta terrestre, quindi il team di SuperCDMS ha dovuto acquistare rame proveniente da una miniera con il minor numero possibile di questi metalli. Le impurità non radioattive contano, anche:possono diminuire la capacità del rame di condurre il calore, rendendo così più difficile mantenere i rilevatori freddi. In totale, il rame per SuperCDMS deve essere puro oltre il 99,99% con meno di 0,1 parti per miliardo di impurità radioattive.

Tra le impurità intrinseche e quelle introdotte per taglio, arrotolare e trasportare il rame, i piatti che ora si trovano sottoterra al Fermilab non sono del tutto immacolati.

"Gran parte del processo non è qualcosa su cui abbiamo il controllo diretto, " Ha detto Hollister. "Alcuni di essi sono davvero un tiro nel buio su cosa finiremo con la fine della giornata".

Dopo aver ricevuto i piatti, i ricercatori hanno inviato campioni al Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per test dettagliati per quantificare le impurità rimanenti. Prossimamente, le piastre lasceranno Fermilab per la fabbricazione, e l'orologio del cobalto ticcherà ancora una volta finché le lattine non raggiungeranno la loro casa a SNOLAB.

"L'ultimo passo prima di portarli sottoterra sarà spruzzarli con un attacco acido che toglierà alcune decine di micron dalla superficie, " ha detto Bauer.

Una soluzione di perossido di idrogeno e acido cloridrico diluito rimuoverà tutte le impurità superficiali che si sono accumulate nel processo di fabbricazione. E una soluzione di acido citrico debole conserverà l'elevata conduttività termica del rame proteggendolo dall'ossidazione nel corso dell'esperimento.

La collaborazione SuperCDMS prevede di iniziare a raccogliere dati nel 2022. Tutto sommato, questa iterazione dell'esperimento mira a livelli di fondo 100 volte inferiori rispetto al suo predecessore, grazie in gran parte alla purezza del rame. Con la maggiore sensibilità, i ricercatori sperano di individuare eventuali WIMP di piccola massa che potrebbero trovarsi nelle vicinanze.

"Questo programma è stato sviluppato da molto tempo, quindi è bello vederlo iniziare a riunirsi, " Ha detto Hollister. "Lo SNOBOX è davvero l'ultimo pezzo importante, quindi non vediamo l'ora di installare questa cosa e renderla operativa il prima possibile".

La ricerca SuperCDMS sulla materia oscura è supportata dall'Office of Science del DOE e dalla National Science Foundation, così come la Canada Foundation for Innovation e SNOLAB.