Création de câbles silencieux pour les événements physiques rares

Les expériences de physique ultra-sensibles nécessitent des niveaux extrêmement faibles de radioactivité ambiante pour détecter des événements rares. Les chercheurs ont développé de nouveaux câbles sur mesure à faible radioactivité, ouvrant la voie à des recherches plus précises sur la matière noire et la désintégration double bêta sans neutrino.

La science derrière les câbles à faible radioactivité

La radioactivité de fond, présente dans tout, de la poussière à l’environnement, peut interférer avec les expériences de physique ultra-sensibles. Cela inclut la radioactivité naturelle des câbles et de l’électronique qui détectent les signaux. Pour réduire la quantité de rayonnement de fond provenant des câbles, les scientifiques ont systématiquement examiné les contaminants radioactifs introduits lors de la production des câbles.

Ils ont ensuite identifié des méthodes alternatives pour nettoyer et préparer les câbles afin de réduire les niveaux de contamination. Cela a permis d’obtenir des câbles contenant 10 à 100 fois moins d’isotopes radioactifs naturels uranium-238 et thorium-232 que les câbles commerciaux. Ces niveaux sont suffisamment bas pour être utilisés dans des expériences de physique ultra-sensibles.

L’impact des câbles à faible radioactivité sur la recherche

Certaines expériences de physique, comme la recherche de la désintégration double bêta sans neutrino ou de la matière noire, cherchent à détecter des événements extrêmement rares. La découverte de ces événements pourrait aider les scientifiques à comprendre l’origine et la nature de la matière dans l’univers.

Toutefois, les contaminants radioactifs dans ces détecteurs peuvent imiter les signaux insaisissables que les physiciens recherchent, même à des concentrations aussi faibles qu’une partie par milliard. Les chercheurs ont besoin de câbles pour extraire les signaux de ces détecteurs, mais les câbles commerciaux ne répondent pas aux normes de la prochaine génération de détecteurs.

Cette recherche a conduit à de nouveaux câbles personnalisés à faible radioactivité. Ces câbles peuvent augmenter la sensibilité de ces expériences en réduisant la quantité de radioactivité interférente. Ils permettent également aux chercheurs de déployer des capteurs supplémentaires dans le détecteur.

Le développement de câbles à faible radioactivité

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), en collaboration avec leur partenaire commercial Q-Flex Inc., ont étudié les niveaux de contamination radioactive dans les processus de fabrication des câbles en utilisant de petits «coupons» détachables qui agissent comme substituts des câbles.

À chaque étape du processus, les scientifiques ont retiré un coupon individuel d’un panneau pour l’analyser par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS), une technique hautement sensible mais destructive permettant de détecter des sous-parties par billion d’uranium-238 et de thorium-232.

Leurs résultats ont révélé que, même en commençant avec des matériaux radiopurs soigneusement sélectionnés, des contaminants radioactifs étaient introduits via des solutions chimiques lors des étapes de photolithographie et de placage. Le PNNL et Q-Flex ont exploré de nouvelles techniques de fabrication ainsi que des matériaux de substitution et ont développé une recette de nettoyage pour réduire la contamination radioactive en uranium-238 et thorium-232 à quelques dizaines de parties par billion.

Une fois les principales étapes de contamination et les méthodes alternatives appropriées identifiées, les scientifiques ont produit deux ensembles de câbles entièrement fonctionnels en utilisant le nouveau processus de fabrication à faible bruit de fond. Ces câbles représentent les types qui seront utilisés dans les expériences prévues de désintégration double bêta sans neutrino nEXO et de matière noire DAMIC-M.

Les câbles résultants ont des niveaux de radiation extrêmement faibles, à environ 10-30 parties par billion d’uranium-238 et de thorium-232. Ces câbles «silencieux» permettront des recherches plus sensibles d’événements extrêmement rares tels que la désintégration double bêta sans neutrino et les interactions de matière noire.

Légende illustration : Isaac Arnquist, chimiste au Pacific Northwest National Laboratory, examine les « coupons » de câbles en cuivre à très faible rayonnement spécialement créés pour les expériences sensibles de détection de la physique. Crédit : Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory