En febrero y marzo, Tres lotes de planchas de cobre llegaron al Fermilab y se almacenaron a 100 metros bajo tierra. El cobre se había extraído en Finlandia, se enrollan en placas en Alemania y se envían por tierra y mar hasta el laboratorio, todo en un plazo de 120 días. En la búsqueda por detectar la materia oscura, la sustancia misteriosa que constituye el 85% de la materia del universo, todos los días que el cobre gastado sobre el suelo importaba.

"En la superficie de la Tierra, estamos en una lluvia de rayos cósmicos, "dijo el científico del Fermilab Dan Bauer.

Cuando estas partículas de alta energía que se originan en el espacio chocan contra un átomo de cobre, pueden eliminar protones y neutrones para producir otro átomo llamado cobalto-60. El cobalto-60 es radiactivo, lo que significa que es inestable y se descompone espontáneamente en otras partículas. La minúscula cantidad de átomos de cobre convertidos en cobalto no tiene ningún impacto en los usos cotidianos del cobre. Pero Bauer y otros que trabajan en la búsqueda de materia oscura supercriogénica deben tomar medidas drásticas para garantizar que el cobre que utilizan sea lo más puro posible.

El último de un linaje de experimentos similares, SuperCDMS buscará materia oscura en SNOLAB, un laboratorio subterráneo cerca de Sudbury, Ontario, Canadá. Las placas de cobre eventualmente tomarán la forma de seis latas de refresco de gran tamaño dispuestas como muñecas anidadas. La lata más interna albergará dispositivos de germanio y silicio diseñados para detectar partículas masivas hipotéticamente que interactúan débilmente, o WIMP, especialmente aquellos con menos de 10 veces la masa de un protón. La lata exterior sellada al vacío medirá un poco más de un metro de diámetro. Todo el artilugio apodado el SNOBOX, se conectará a través de un juego de varillas de cobre a un refrigerador especial que enfriará los detectores a una pequeña fracción de grado por encima del cero absoluto.

A temperaturas tan gélidas, Las vibraciones térmicas son tan pequeñas que un WIMP podría dejar una señal detectable al chocar con un átomo.

Pero "estás buscando una aguja en un pajar con materia oscura, "Dijo Bauer." Lo mejor que vas a conseguir es quizás unos pocos eventos al año ".

Mientras tanto, las partículas de materia ordinaria que vuelan a través de los detectores SuperCDMS podrían producir firmas extrañas, conocido como fondo, eso ahogaría las señales de las interacciones de la materia oscura.

Enterrar SuperCDMS dos kilómetros bajo tierra y revestir el SNOBOX en capas de plomo, el plástico y el agua filtrarán casi todas las partículas no deseadas del medio ambiente. Pero nada se interpone entre las latas de cobre y los detectores. Y aunque la capacidad superior del cobre para transportar calor lo hace ideal para enfriar los detectores, cualquier impureza radiactiva en el metal emitiría partículas de fondo.

Eso nos devuelve al cobalto-60.

"La conclusión es que cuanto más tiempo permanezca el cobre en la superficie expuesta a los rayos cósmicos, cuanto más cobalto-60 se crea, "explicó Matthew Hollister de Fermilab, el administrador del sistema de criogenia SuperCDMS. "Por lo tanto, parte del presupuesto de fondo del experimento incluye un límite de tiempo para la exposición de la superficie".

El cobalto-60 no es la única impureza de la que preocuparse. Isótopos radiactivos de uranio, el torio y el potasio se encuentran naturalmente en la corteza terrestre, por lo que el equipo de SuperCDMS tuvo que comprar cobre procedente de una mina con la menor cantidad posible de estos metales. Las impurezas no radiactivas importan, también, pueden disminuir la capacidad del cobre para conducir calor, por lo tanto, es más difícil mantener fríos los detectores. En total, el cobre para SuperCDMS debe tener una pureza superior al 99,99% con menos de 0,1 partes por billón de impurezas radiactivas.

Entre las impurezas intrínsecas y las introducidas por corte, enrollar y transportar el cobre, las placas que ahora se encuentran bajo tierra en Fermilab no son del todo prístinas.

"Gran parte del proceso no es algo sobre lo que tengamos control directo, "Dijo Hollister." Algo de esto realmente es un tiro en la oscuridad en cuanto a lo que vamos a terminar al final del día ".

Después de recibir las planchas, los investigadores enviaron muestras al Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. para realizar pruebas detalladas para cuantificar las impurezas restantes. Pronto, las placas dejarán el Fermilab para su fabricación, y el reloj de cobalto volverá a correr hasta que las latas lleguen a su casa en SNOLAB.

"El último paso antes de llevarlos bajo tierra será rociarlos con un grabado ácido que quitará algunas decenas de micrones de la superficie, "Dijo Bauer.

Una solución de peróxido de hidrógeno y ácido clorhídrico diluido eliminará las impurezas de la superficie que se hayan acumulado en el proceso de fabricación. Y una solución de ácido cítrico débil preservará la alta conductividad térmica del cobre protegiéndolo de la oxidación durante el transcurso del experimento.

La colaboración de SuperCDMS planea comenzar a recopilar datos en 2022. En general, esta iteración del experimento tiene como objetivo niveles de fondo 100 veces más bajos que su predecesor, gracias en gran parte a la pureza del cobre. Con la mayor sensibilidad, Los investigadores esperan detectar cualquier WIMP de baja masa que pueda haber en el vecindario.

"Este programa lleva bastante tiempo en desarrollo, así que es bueno ver que comienza a juntarse, ", Dijo Hollister." El SNOBOX es realmente la última pieza importante, por lo que esperamos instalarlo y ponerlo en funcionamiento tan pronto como podamos ".

La investigación de SuperCDMS sobre la materia oscura cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE y la Fundación Nacional de Ciencias, así como la Fundación de Canadá para la Innovación y SNOLAB.