Detector de partículas criogênicas - Cryogenic particle detector

Os detectores de partículas criogênicas operam em temperatura muito baixa, normalmente apenas alguns graus acima do zero absoluto . Esses sensores interagem com uma partícula elementar energética (como um fóton ) e entregam um sinal que pode ser relacionado ao tipo de partícula e à natureza da interação. Embora muitos tipos de detectores de partículas possam ser operados com desempenho aprimorado em temperaturas criogênicas , este termo geralmente se refere a tipos que tiram vantagem de efeitos especiais ou propriedades que ocorrem apenas em baixas temperaturas.

Introdução

O motivo mais comumente citado para operar qualquer sensor em baixa temperatura é a redução do ruído térmico , que é proporcional à raiz quadrada da temperatura absoluta . Porém, em temperaturas muito baixas, certas propriedades do material tornam-se muito sensíveis à energia depositada pelas partículas em sua passagem pelo sensor, e o ganho dessas mudanças pode ser ainda maior do que a redução do ruído térmico. Duas dessas propriedades comumente usadas são capacidade de calor e resistividade elétrica , particularmente supercondutividade ; outros projetos são baseados em junções de túnel supercondutor , aprisionamento de quase-partículas , rotons em superfluidos , bolômetros magnéticos e outros princípios.

Originalmente, a astronomia impulsionou o desenvolvimento de detectores criogênicos para radiação óptica e infravermelha. Mais tarde, a física de partículas e a cosmologia motivaram o desenvolvimento de detectores criogênicos para detectar partículas conhecidas e previstas, como neutrinos , axions e partículas massivas de interação fraca (WIMPs).

Tipos de detectores de partículas criogênicas

Detecção calorimétrica de partículas

Um calorímetro é um dispositivo que mede a quantidade de calor depositada em uma amostra de material. Um calorímetro difere de um bolômetro porque um calorímetro mede a energia, enquanto um bolômetro mede a potência .

Abaixo da temperatura de Debye de um material dielétrico cristalino (como o silício ), a capacidade de calor diminui inversamente com o cubo da temperatura absoluta. Torna-se muito pequeno, de modo que o aumento da temperatura da amostra para uma dada entrada de calor pode ser relativamente grande. Isso torna prático fazer um calorímetro que tem uma excursão de temperatura muito grande para uma pequena quantidade de entrada de calor, como aquela depositada por uma partícula que passa. O aumento de temperatura pode ser medido com um tipo de termistor padrão , como em um calorímetro clássico. Em geral, pequenos tamanhos de amostra e termistores muito sensíveis são necessários para fazer um detector de partículas sensíveis por este método.

Em princípio, vários tipos de termômetros de resistência podem ser usados. O limite de sensibilidade à deposição de energia é determinado pela magnitude das flutuações da resistência, que por sua vez são determinadas pelas flutuações térmicas . Uma vez que todos os resistores apresentam flutuações de tensão que são proporcionais à sua temperatura, um efeito conhecido como ruído de Johnson , a redução da temperatura é frequentemente a única maneira de atingir a sensibilidade necessária.

Sensores de borda de transição supercondutores

Um sensor calorimétrico muito sensível, conhecido como sensor de borda de transição (TES), aproveita a supercondutividade . A maioria dos supercondutores puros tem uma transição muito acentuada da resistividade normal para a supercondutividade em alguma baixa temperatura. Ao operar na transição de fase supercondutora, uma mudança muito pequena na temperatura resultante da interação com uma partícula resulta em uma mudança significativa na resistência.

Junções de túnel supercondutor

A junção do túnel supercondutor (STJ) consiste em duas peças de material supercondutor separadas por uma camada isolante muito fina (~ nanômetro ) . É também conhecido como junção de túnel supercondutor-isolador-supercondutor (SIS) e é um tipo de junção Josephson . Os pares de Cooper podem criar um túnel através da barreira de isolamento, um fenômeno conhecido como efeito Josephson . As quasipartículas também podem fazer um túnel através da barreira, embora a corrente das quasipartículas seja suprimida para tensões menores que o dobro do gap de energia supercondutora. Um fóton absorvido em um lado de um STJ quebra pares de Cooper e cria quasipartículas. Na presença de uma tensão aplicada através da junção, as quasipartículas fazem um túnel através da junção e a corrente de tunelamento resultante é proporcional à energia do fóton. O STJ também pode ser usado como um detector heteródino , explorando a mudança na característica de tensão não linear que resulta do tunelamento auxiliado por fótons. STJs são os detectores heteródinos mais sensíveis disponíveis para a faixa de frequência de 100 GHz - 1  THz e são empregados para observação astronômica nessas frequências.

Detectores de indutância cinética

O detector de indutância cinética (KID) é baseado na medição da mudança na indutância cinética causada pela absorção de fótons em uma fina faixa de material supercondutor . A mudança na indutância é normalmente medida como a mudança na frequência ressonante de um ressonador de micro - ondas e, portanto, esses detectores também são conhecidos como detectores de indutância cinética de micro-ondas (MKIDs).

Grânulos supercondutores

A transição supercondutora sozinha pode ser usada para medir diretamente o aquecimento causado por uma partícula que passa. Um grão supercondutor tipo I em um campo magnético exibe um diamagnetismo perfeito e exclui o campo completamente de seu interior. Se for mantida um pouco abaixo da temperatura de transição, a supercondutividade desaparece com o aquecimento por radiação de partículas, e o campo repentinamente penetra no interior. Esta mudança de campo pode ser detectada por uma bobina circundante. A mudança é reversível quando o grão esfria novamente. Na prática, os grãos devem ser muito pequenos e cuidadosamente feitos, e cuidadosamente acoplados à bobina.

Calorímetros magnéticos

Os íons de terras raras paramagnéticos estão sendo usados ​​como sensores de partículas, detectando os giros de rotação dos átomos paramagnéticos induzidos pelo calor absorvido em um material de baixa capacidade de calor. Os íons são usados ​​como termômetro magnético.

Outros métodos

Detecção de partículas de fônons

Calorímetros presumem que a amostra está em equilíbrio térmico ou quase isso. Em materiais cristalinos a temperaturas muito baixas, este não é necessariamente o caso. Muito mais informações podem ser encontradas medindo as excitações elementares da rede cristalina, ou fônons , causadas pela partícula em interação. Isso pode ser feito por vários métodos, incluindo sensores de borda de transição supercondutores .

Detectores de fóton único nanofio supercondutores

O detector de fóton único nanofio supercondutor (SNSPD) é baseado em um fio supercondutor resfriado bem abaixo da temperatura de transição supercondutora e polarizado com uma corrente CC próxima, mas menor do que a corrente crítica supercondutora. O SNSPD é normalmente feito de filmes de nitreto de nióbio com ≈ 5 nm de espessura que são padronizados como nanofios estreitos (com uma largura típica de 100 nm). A absorção de um fóton quebra os pares de Cooper e reduz a corrente crítica abaixo da corrente de polarização. Uma pequena seção não supercondutora ao longo da largura do nanofio é formada. Esta seção resistiva não supercondutora, então, leva a um pulso de voltagem detectável com uma duração de cerca de 1 nanossegundo. As principais vantagens desse tipo de detector de fótons são sua alta velocidade (uma taxa de contagem máxima de 2 GHz os torna os mais rápidos disponíveis) e sua baixa taxa de contagem de escuridão. A principal desvantagem é a falta de resolução de energia intrínseca.

Detectores de roton

No superfluido 4 He, as excitações coletivas elementares são fônons e rotons . Uma partícula atingindo um elétron ou núcleo neste superfluido pode produzir rotons, que podem ser detectados bolometricamente ou pela evaporação de átomos de hélio ao atingirem uma superfície livre. 4 Ele é intrinsecamente muito puro, de modo que os rotons viajam balisticamente e são estáveis, de modo que grandes volumes de fluido podem ser usados.

Quasipartículas em superfluido 3 He

Na fase B, abaixo de 0,001 K, o superfluido 3 He atua de forma semelhante a um supercondutor. Pares de átomos estão ligados como quasipartículas semelhantes aos pares de Cooper com uma pequena diferença de energia da ordem de 100 nano eletronvolts . Isso permite construir um detector análogo a um detector de túnel supercondutor. A vantagem é que muitos (~ 10 9 ) pares poderiam ser produzidos por uma única interação, mas as dificuldades são que é difícil medir o excesso de átomos de 3 He normais produzidos e preparar e manter muito superfluido em tão baixa temperatura.

Referências

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Veja também