东方时讯网想象一下，尝试将收音机调谐到单个电台，但却遇到了来自您自己的设备的静态噪声和干扰信号。这是研究团队面临的挑战，他们正在寻找极其罕见事件的证据，以帮助了解宇宙中物质的起源和性质。事实证明，当您尝试调谐宇宙中一些最弱的信号时，让您的仪器变得非常安静会有所帮助。
世界各地有十多个团队正在聆听流行音乐和电子嘶嘶声，这可能意味着他们终于调到了正确的频道。这些科学家和工程师竭尽全力保护他们的实验免受宇宙辐射产生的错误信号的影响。
大多数此类实验都是在非常难以到达的地方进行的，例如加拿大安大略省萨德伯里的镍矿地下一英里处，或南达科他州铅的废弃金矿中，以保护它们免受地球上天然放射性元素的影响。然而，假信号的来源之一来自于旨在记录潜在信号的电子设备中的天然放射性。
放射性污染物，即使浓度小到十亿分之一，也可以模仿科学家正在寻找的难以捉摸的信号。现在，能源部太平洋西北国家实验室的一个研究小组与加利福尼亚州的一家小型商业合作伙伴Q-FlexInc.合作，已经生产出采用超纯材料的电子电缆。
这些电缆经过专门设计和制造，放射性污染物含量极低，不会干扰高度敏感的中微子和暗物质实验。
科学家们在《EPJ技术与仪器》杂志上报告说，这些电缆不仅可用于物理实验，而且还可能有助于减少电离辐射对未来量子计算机的干扰。
PNNL首席研究员理查德·萨尔丹哈(RichardSaldanha)表示：“我们开创了一种生产电子布线的技术，其成本比目前的商用产品低一百倍。”“这种制造方法和产品在任何对极低水平放射性污染物敏感的领域都有广泛的应用。”
精心编排的超安静芭蕾舞剧
少量自然产生的放射性元素随处可见：在空气中漂浮的岩石、泥土和灰尘中。它们发出的辐射量非常低，不会对健康造成任何危害，但仍然足以给下一代中微子和暗物质探测器带来问题。
PNNL化学家艾萨克·阿恩奎斯特(IsaacArnquist)表示：“我们通常需要比在一小点污垢或灰尘中发现的污染水平清洁一百万倍，有时甚至十亿倍。”他是这篇研究文章的合著者并领导了测量团队。
在这些实验中，Saldanha、Arnquist及其同事MariaLauradiVacri、NicoleRocco和TylerSchlieder评估了最终生产探测器电缆的十几个加工步骤中每个步骤中铀、钍和钾的含量。然后，该团队开发了特殊的清洁和制造技术，将污染降低到可忽略不计的水平。研究人员在超洁净、无灰尘、无污染的实验室中工作，精心计划他们的一举一动。
“我几乎认为我们是表演运动员，因为我们所做的一切、每一个动作都是经过深思熟虑的。这几乎就像我们是精心设计的舞者，”阿恩奎斯特说。“当我们处理探测器样品材料时，不会产生多余的无关运动或与样品的相互作用，因为这种相互作用可能会带来一些污染，从而限制我们测量材料的效果。”
经过几年的工作和数百次测量，所得电缆现已不含污染物，不会影响DAMIC-M、OSCURA和nEXO等下一代暗物质和中微子实验的运行。研究小组在研究中指出，低放射性电缆可以提高实验的灵敏度，甚至可以让探测器设计更加灵活。
离“啊哈”时刻越来越近
那么，研究人员在这些实验中到底想要寻找什么?在暗物质和无中微子双贝塔衰变的情况下，他们希望记录极其罕见的事件，从而解决宇宙的两个关键谜团。这两个谜团都提出了关于宇宙为何看起来如此的基本问题。
如果没有暗物质的存在，我们宇宙中的星系就不会形成。暗物质约占宇宙物质的85%，然而，我们从未直接观察到暗物质，只观察到它在宇宙中的引力印记。也许更有趣的是，宇宙中为什么存在物质的问题可能取决于已知的最小物质粒子——中微子的独特性质。
与所有其他基本粒子不同，中微子可能同时作为物质和反物质相互作用。如果属实，这可能会导致极其罕见的核衰变，称为无中微子双贝塔衰变。科学家们正在建造由大量敏感材料组成的大型实验，希望在未来十年内找到无中微子双β衰变的第一个证据。
萨尔达尼亚说：“我们为消除干扰放射性而采取的每一步都让我们更接近寻找暗物质或无中微子双贝塔衰变的证据。”
超低辐射电子电缆的特写，具有数十条导电电路路径，用于监测敏感的物理实验。该样本电缆允许研究团队评估生产和清洁后的放射性纯度。图片来源：安德里亚·斯塔尔|西北太平洋国家实验室
“这些柔性电缆有许多导电通路，需要这些通路来读出复杂的信号，”阿恩奎斯特补充道。“比如说，当暗物质与探测器相互作用或发生无中微子双贝塔衰变时，它将产生一个需要准确记录(读出)的事件，以进行发现。我们需要放置一个复杂的电子部件，它是极其干净的放射性元素进入探测器的中心。”
耶鲁大学物理学家、PNNL合作者DavidMoore表示：“下一代对无中微子双β衰变的探索将是有史以来放射性最低的实验之一。”
“这些探测器使用的材料非常纯净，即使是少量的普通电缆材料也会压倒探测器整个其余部分的放射性，因此开发超低本底电缆来读取此类探测器的数据是一项重大挑战。PNNL和Q-Flex是启用这些探测器的关键，并将把布线背景减少到以前技术所能实现的一小部分。”
高灵敏度DAMIC-M暗物质实验的升级计划已经在进行中，新的超纯电缆是计划安装在探测器中的关键改进之一。
华盛顿大学物理学家、DAMIC-M项目合作者阿尔瓦罗·E·查瓦里亚(AlvaroEChavarria)表示：“探测器中我们无法避免的一个组件是传输信号的电缆，它的放射性必须非常低。”。
“在PNNL最近的开发之前，最好的解决方案是微同轴电缆，它传输的信号太少，需要对我们的探测器进行重大重新设计。这一开发非常令人兴奋，因为它允许使用行业标准的柔性电路低本底应用技术。”
PNNL科学家和其他合作者的最新研究结果表明，某些量子计算设备的性能可能会受到微量放射性污染物的影响。虽然放射性目前并不是限制现有量子计算机功能的因素，但未来的量子设备可能需要低放射性电缆来增强其性能。
萨尔达尼亚说：“我们看到这些电缆在各种敏感辐射探测器中以及可能在量子计算等其他应用中找到应用的潜力。”