¿Cómo detecta una partícula que casi no tiene masa, siente solo dos de las cuatro fuerzas fundamentales, y ¿puede viajar sin obstáculos a través del plomo sólido durante todo un año luz sin interactuar con la materia? Este es el problema que plantean los neutrinos, partículas fantasmales que se generan en billones por reacciones nucleares en las estrellas, incluido nuestro sol, y en la Tierra. Los científicos también pueden producir neutrinos para estudiarlos en experimentos controlados utilizando aceleradores de partículas. Una de las formas en que se pueden detectar los neutrinos es con grandes cubas llenas de argón líquido y envueltas con una compleja red de circuitos integrados que pueden operar en temperaturas más frías que el día promedio en Neptuno.

La industria no suele utilizar productos electrónicos que funcionen a temperaturas criogénicas, de modo que los físicos de partículas han tenido que diseñar los suyos propios. Una colaboración de varios laboratorios nacionales del Departamento de Energía, incluyendo Fermilab, ha estado desarrollando prototipos de la electrónica que finalmente se utilizará en el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, llamado DUNE, alojado por Fermilab. DUNE generará un intenso haz de neutrinos en Fermilab en Illinois y lo enviará 800 millas a través de la corteza terrestre a detectores en Dakota del Sur. Los resultados del experimento pueden ayudar a los científicos a comprender por qué hay más materia que antimateria, un desequilibrio que llevó a la formación de nuestro universo.

Física y frío

Los detectores de neutrinos de DUNE serán enormes:un total de cuatro tanques, cada uno tan alto como un edificio de cuatro pisos, contendrá un combinado de 70, 000 toneladas de argón líquido y estar situado en una caverna a una milla debajo de la superficie de la Tierra.

El argón se produce naturalmente como gas en nuestra atmósfera, y convertirlo en líquido implica enfriarlo a temperaturas extremadamente frías. Los núcleos atómicos del argón líquido están tan densamente empaquetados que algunos de los famosos neutrinos escurridizos que viajan desde Fermilab interactuarán con ellos. dejando tras de sí señales reveladoras de su fallecimiento. La colisión resultante produce diferentes partículas que se dispersan en todas direcciones, incluyendo electrones, que los físicos utilizan para reconstruir el camino del neutrino que de otro modo sería invisible.

Un fuerte campo eléctrico mantenido dentro del detector hace que los electrones libres se desvíen hacia los cables conectados a la electrónica sensible. A medida que los electrones pasan por los cables, generan pequeños pulsos de voltaje que son registrados por la electrónica en la cámara de argón líquido. Los amplificadores en la cámara luego aumentan la señal aumentando el voltaje, después de lo cual se convierten a datos digitales. Finalmente, las señales recopiladas y digitalizadas en toda la cámara se fusionan y se envían a computadoras fuera del detector para su almacenamiento y análisis.

Desafíos para la electrónica refrigerada

La electrónica de los detectores de neutrinos funciona de la misma manera que la tecnología que usamos en nuestra vida diaria. con una gran excepción. Los circuitos integrados de nuestros teléfonos, ordenadores, cámaras, carros, microondas y otros dispositivos se han desarrollado para funcionar a temperatura ambiente o alrededor de ella, hasta aproximadamente menos 40 grados Celsius. El argón líquido en los detectores de neutrinos, sin embargo, se enfría a alrededor de menos 200 grados.

"Si utiliza dispositivos electrónicos diseñados para funcionar a temperatura ambiente, rara vez encuentra que funcionan en cualquier lugar tan bien como los diseñados para operar a temperaturas criogénicas, ", dijo el científico del Fermilab David Christian.

En el pasado, este problema se evitó por completo colocando los circuitos electrónicos fuera de los tanques de argón. Pero cuando mides una cantidad limitada de electrones, incluso la menor cantidad de ruido electrónico puede enmascarar la señal que está buscando.

La forma más fácil de mitigar el problema implica la misma táctica que usa para evitar que la comida se eche a perder:manténgala fría. Si todos los componentes electrónicos están sumergidos en el argón líquido, hay menos vibraciones térmicas de los átomos y una mayor relación señal-ruido. Colocar la electrónica en el tanque de argón líquido tiene el beneficio adicional de disminuir la cantidad de cable que debe usar para enviar señales a los amplificadores. Si, por ejemplo, los amplificadores y convertidores de analógico a digital se mantienen fuera de la cámara (como en algunos detectores de neutrinos), Los cables largos tienen que conectarlos a los detectores en el interior.

"Si pones los componentes electrónicos dentro de la cámara fría, tiene cables mucho más cortos y, por lo tanto, menos ruido, "dijo Carl Grace, ingeniero del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. "Amplificas la señal y la digitalizas en la cámara de argón. Luego tienes una interfaz digital con el mundo exterior en la que el ruido ya no es una preocupación".

Hay varios desafíos de diseño que estos equipos han tenido que superar durante el desarrollo, no el menor de los cuales fue determinar cómo probar la durabilidad de los dispositivos.

"Estos chips tendrán que funcionar durante un mínimo de 20 años y pico, ojalá más tiempo, Grace dijo. Y debido a la naturaleza de las cámaras de argón, los componentes electrónicos que se colocan dentro de ellos no se pueden cambiar. No se pueden cambiar ni reparar de ninguna manera ".

Dado que Grace y su equipo no tienen 20 años para probar sus prototipos, han aproximado los efectos del envejecimiento aumentando la cantidad de voltaje que alimenta los chips para simular el desgaste de los Operación a largo plazo.

"Tomamos la electrónica, enfriarlos y luego elevar su voltaje para acelerar su envejecimiento, ", Dijo Grace." Al observar su comportamiento durante un período de tiempo relativamente corto, podemos entonces estimar cuánto tiempo duraría la electrónica si se operaran a los voltajes para los que fueron diseñados ".

Resistencia en circuitos

Estos circuitos no solo deben construirse para durar décadas, también deben hacerse más duraderas de otra manera.

Los circuitos electrónicos tienen una cierta cantidad de resistencia a la corriente eléctrica que fluye a través de ellos. A medida que los electrones atraviesan un circuito, interactúan con los átomos vibrantes dentro del material conductor, lo que los ralentiza. Pero estas interacciones se reducen cuando la electrónica se enfría a temperaturas criogénicas, y los electrones que constituyen la señal se mueven más rápidamente en promedio.

Esto es bueno en términos de producción; los circuitos integrados que se están construyendo para DUNE funcionarán de manera más eficiente cuando se coloquen en el argón líquido. Pero, a medida que los electrones viajan más rápido a través de los circuitos a medida que bajan las temperaturas, pueden comenzar a dañar el circuito mismo.

"Si los electrones tienen una energía cinética lo suficientemente alta, en realidad, pueden comenzar a extraer átomos de la estructura cristalina del material conductor, "Dijo Grace." Es como si las balas golpearan una pared. El muro comienza a perder integridad con el tiempo ".

Los chips DUNE están diseñados para mitigar este efecto. Los chips se fabrican utilizando grandes dispositivos constituyentes para minimizar la cantidad de daño acumulado. y se utilizan a voltajes más bajos que los que se utilizan normalmente a temperatura ambiente. Los científicos también pueden ajustar los parámetros operativos con el tiempo para compensar cualquier daño que ocurra durante sus muchos años de uso.

Cronograma hasta la finalización

Con los preparativos para el DUNE en marcha y el experimento programado para comenzar a generar datos para 2027, Científicos de muchas instituciones han trabajado arduamente para desarrollar prototipos electrónicos.

Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven están trabajando para perfeccionar el amplificador, mientras que los equipos de Fermilab, Los laboratorios de Brookhaven y Berkeley están colaborando en el diseño del convertidor de analógico a digital. Fermilab también se ha asociado con la Universidad Metodista del Sur para desarrollar el componente electrónico que fusiona todos los datos dentro de un tanque de argón antes de que se transmita a la electrónica ubicada fuera del detector de frío. Finalmente, Los investigadores que trabajan en un diseño competitivo en SLAC National Accelerator Laboratory están tratando de encontrar una manera de combinar eficientemente los tres componentes en un circuito integrado.

Los distintos equipos planean enviar sus diseños de circuitos este verano para su revisión. Los diseños seleccionados se construirán y finalmente se instalarán en los detectores de neutrinos DUNE en la instalación subterránea de neutrinos de Sanford en Dakota del Sur.