Hur upptäcker du en partikel som nästan inte har någon massa, känner bara två av de fyra grundkrafterna, och kan resa obehindrat genom fast bly under ett helt ljusår utan att någonsin interagera med materia? Detta är problemet med neutrinoer, spöklika partiklar som genereras i biljoner av kärnreaktioner i stjärnor, inklusive vår sol, och på jorden. Forskare kan också producera neutrinoer för att studera i kontrollerade experiment med hjälp av partikelacceleratorer. Ett av sätten neutrinoer kan detekteras är med stora kärl fyllda med flytande argon och insvept med en komplex bana av integrerade kretsar som kan fungera i temperaturer kallare än genomsnittsdagen på Neptunus.

Industrin använder vanligtvis inte elektronik som fungerar vid kryogena temperaturer, så partikelfysiker har fått konstruera sina egna. Ett samarbete från flera nationella laboratorier vid Department of Energy, inklusive Fermilab, har utvecklat prototyper av elektroniken som i slutändan kommer att användas i det internationella Deep Underground Neutrino Experiment, kallas DUNE, värd av Fermilab. DUNE kommer att generera en intensiv stråle av neutrinoer vid Fermilab i Illinois och skicka den 800 mil genom jordskorpan till detektorer i South Dakota. Resultat från experimentet kan hjälpa forskare att förstå varför det finns mer materia än antimateria, en obalans som ledde till bildandet av vårt universum.

Fysik och chill

DUNEs neutrino -detektorer kommer att bli massiva:totalt fyra tankar, var och en så hög som en byggnad i fyra våningar, kommer att innehålla sammanlagt 70, 000 ton flytande argon och placeras i en grotta en mil under jordens yta.

Argon förekommer naturligt som en gas i vår atmosfär, och att göra den till en vätska innebär att den kyls till extremt kalla temperaturer. Atomkärnorna i flytande argon är så tätt packade ihop att några av de berömda svårfångade neutrinerna som reser från Fermilab kommer att interagera med dem, lämnar efter sig tecken på deras bortgång. Den resulterande kollisionen producerar olika partiklar som sprids i alla riktningar, inklusive elektroner, som fysiker använder för att rekonstruera vägen för den annars osynliga neutrino.

Ett starkt elektriskt fält som bibehålls i detektorn får de fria elektronerna att glida mot trådar som är fästa på känslig elektronik. När elektronerna färdas förbi trådarna, de genererar små spänningspulser som registreras av elektronik i vätske-argonkammaren. Förstärkare i kammaren förstärker sedan signalen genom att öka spänningen, varefter de konverteras till digital data. Till sist, signalerna som samlas in och digitaliseras över hela kammaren slås samman och skickas till datorer utanför detektorn för lagring och analys.

Utmaningar för kyld elektronik

Elektroniken i neutrinodetektorer fungerar på samma sätt som den teknik vi använder i vårt vardag, med ett stort undantag. De integrerade kretsarna i våra telefoner, datorer, kameror, bilar, mikrovågor och andra enheter har utvecklats för att fungera vid eller runt rumstemperatur, ner till cirka minus 40 grader Celsius. Den flytande argonen i neutrinodetektorer, dock, kyls till cirka 200 grader.

"Om du använder elektronik som är utformad för att fungera i rumstemperatur, sällan tycker du att de fungerar någonstans nästan lika bra som de som är utformade för att fungera vid kryogena temperaturer, "sa Fermilab -forskaren David Christian.

Förr, denna fråga avsteg helt och hållet genom att placera den elektroniska kretsen utanför argontankarna. Men när du mäter ett begränsat antal elektroner, även den minsta mängd elektronikbrus kan dölja signalen du letar efter.

Det enklaste sättet att mildra problemet innebär samma taktik som du använder för att förhindra att maten förstörs:Håll den kall. Om all elektronik är nedsänkt i flytande argon, det finns färre termiska vibrationer från atomer och ett större signal-brusförhållande. Att placera elektroniken i vätske-argontanken har den extra fördelen att minska mängden tråd du måste använda för att leverera signaler till förstärkarna. Om, till exempel, förstärkare och analog-till-digital-omvandlare förvaras utanför kammaren (som de är i vissa neutrino-detektorer), långa ledningar måste ansluta dem till detektorerna på insidan.

"Om du lägger elektroniken inuti kylkammaren, du har mycket kortare ledningar och därför lägre ljud, "sa Carl Grace, ingenjör vid Lawrence Berkeley National Laboratory. "Du förstärker signalen och digitaliserar den i argonkammaren. Du har sedan ett digitalt gränssnitt mot omvärlden där brus inte längre är ett problem."

Det finns flera designutmaningar som dessa team har fått övervinna under utvecklingen, inte minst var det att bestämma hur man testar enheternas hållbarhet.

"Dessa marker måste fungera i minst 20-udda år, förhoppningsvis längre, "Sade Grace." Och på grund av argonkamrarnas natur, elektroniken som sätts in i dem kan inte ändras. De kan inte bytas ut eller repareras på något sätt. "

Eftersom Grace och hans team inte har 20 år på sig att testa sina prototyper, de har approximerat effekterna av åldrande genom att öka mängden spänning som driver chipsen för att simulera slitage på vanliga, långsiktig drift.

"Vi tar elektroniken, kyla ner dem och höj sedan deras spänning för att påskynda deras åldrande, "Nåd sade." Genom att observera deras beteende under en relativt kort tid, vi kan vi kan uppskatta hur länge elektroniken skulle hålla om de manövrerades vid de spänningar som de var konstruerade för. "

Motstånd i kretsar

Dessa kretsar behöver inte bara byggas för att hålla i decennier, de måste också göras mer hållbara på ett annat sätt.

Elektroniska kretsar har en viss resistans mot den elektriska strömmen som flödar genom den. När elektroner passerar genom en krets, de interagerar med de vibrerande atomerna i det ledande materialet, vilket bromsar dem. Men dessa interaktioner reduceras när elektroniken kyls till kryogena temperaturer, och elektronerna som utgör signalen rör sig i genomsnitt snabbare.

Detta är en bra sak när det gäller produktion; de integrerade kretsarna som byggs för DUNE kommer att fungera mer effektivt när de placeras i flytande argon. Men, när elektronerna färdas snabbare genom kretsarna när temperaturen sjunker, de kan börja skada kretsen själv.

"Om elektroner har tillräckligt hög rörelseenergi, de kan faktiskt börja riva atomer från kristallstrukturen i det ledande materialet, "Sa Grace." Det är som kulor som träffar en vägg. Väggen börjar tappa integritet med tiden. "

DUNE -chips är utformade för att mildra denna effekt. Flisen tillverkas med hjälp av stora komponenter för att minimera mängden skador, och de används vid lägre spänningar än normalt vid rumstemperatur. Forskare kan också justera driftsparametrar över tiden för att kompensera för eventuella skador som uppstår under deras många års användning.

Tidslinje till slut

Med förberedelserna för DUNE på god väg och experimentet väntas börja generera data 2027, forskare från många institutioner har arbetat hårt med att utveckla elektroniska prototyper.

Forskare vid Brookhaven National Laboratory arbetar med att perfekta förstärkaren, medan lag från Fermilab, Brookhaven och Berkeley labs samarbetar kring designen analog-till-digital-omvandlare. Fermilab har också samarbetat med Southern Methodist University för att utveckla den elektroniska komponenten som sammanfogar all data i en argontank innan den överförs till elektronik utanför kalldetektorn. Till sist, forskare som arbetar med en konkurrerande design vid SLAC National Accelerator Laboratory försöker hitta ett sätt att effektivt kombinera alla tre komponenterna till en integrerad krets.

De olika lagen planerar att lämna in sina kretsdesigner i sommar för granskning. De utvalda konstruktionerna kommer att byggas och slutligen installeras i DUNE -neutrindetektorerna vid Sanford Underground Neutrino Facility i South Dakota.