超级低温暗物质搜索装置
今年2月和3月，三批铜板运抵美国费米实验室，并被放置在地下100米处储存。这些铜在芬兰开采，在德国轧制成铜板，然后万里迢迢运到实验室。在探寻暗物质的过程中，铜非常重要。
费米实验室科学家丹·鲍尔说："在地球表面，我们正处于宇宙射线的沐浴之中。"
当这些源自太空的高能粒子击中铜原子时，它们可以击溃质子和中子，产生另一种叫做钴-60的原子。钴-60具有放射性，这意味着它是不稳定的，会自发地衰变成其它粒子。转化成钴的铜原子数量微乎其微，对铜的日常用途没有影响。但鲍尔等研究人员必须采取严厉的措施，以确保他们使用的铜是尽可能纯的。
超级低温暗物质搜索装置结构图
作为类似实验系列中最新的一个，“超级低温暗物质搜索”项目将在加拿大安大略省萨德伯里附近的地下实验室寻找暗物质。铜板最终将呈现出六个超大苏打水罐的形状，像嵌套娃娃一样排列。最里面的罐子将放置锗和硅设备，旨在探测假设的弱相互作用的大质量粒子，特别是那些质量小于质子10倍的粒子。最外层的真空密封罐的直径将超过一米。整个装置，被称为SNOBOX，将通过一组铜茎连接到一个特殊的冰箱，将探测器冷却到绝对零度以上一点。
在如此寒冷的温度下，热振动非常小，以至于弱相互作用的大质量粒子与原子碰撞后可能会留下可探测的信号。
鲍尔说： "我们是在大海捞针，最好的情况是每年可能会发生几起事件。"
同时，飞过超级低温暗物质搜索探测器的普通物质粒子可能会产生无关的信号，即背景粒子，这将淹没暗物质相互作用的信号。
超纯铜板将被塑造成嵌套罐，如这张SNOBOX设计的剖面图所示。中心的六边形孔将放置暗物质探测器
将超级低温暗物质搜索探测器埋在地下两公里处，并将SNOBOX装置包裹在铅、塑料和水的层中，就可以屏蔽掉环境中几乎所有不需要的颗粒。但在铜罐和探测器之间没有任何东西可以阻挡。而铜优越的传热能力使其成为冷却探测器的理想材料，但金属中的任何放射性杂质都会释放出背景粒子。
这回到了钴-60的问题上。费米实验室的低温系统负责人马修·霍利斯特解释说："铜在表面上暴露在宇宙射线下的时间越长，产生的钴-60就越多。"
钴-60不是唯一需要担心的杂质。放射性同位素铀、钍和钾自然存在于地壳中，所以超级低温暗物质搜索探测器团队必须购买来自于矿山的铜，这些铜的纯度金尽可能高。非放射性杂质也很重要，原因是它们会降低铜的导热能力，从而使探测器难以保持低温。总的来说，用于超级低温暗物质搜索探测器的铜的纯度必须超过99.99%，放射性杂质的含量必须低于十亿分之0.1。
在固有杂质和通过切割、轧制和运输铜引入的杂质之间，现在放在Fermilab地下的铜板并不是很纯净。
铜板被运送到印第安纳州南本德的一家工厂，然后被带到费米实验室的地下储存
在收到板子后，研究人员将样品送到美国能源部的太平洋西北国家实验室进行详细测试，以量化剩余的杂质。很快，这些板子将离开费米实验室进行制造，然后抵达最终的装置。
鲍尔说："在我们把它们带到地下之前的最后一步将是用酸蚀剂喷洒它们，这将脱掉一些几十微米的表面。"
双氧水和稀盐酸溶液将去除制造过程中积累的任何表面杂质。而弱柠檬酸溶液将在实验过程中保护铜不被氧化，从而保持铜的高导热性。
超级低温暗物质搜索探测器计划在2022年开始收集数据。实验迭代的目标是背景粒子水平比前代低100倍，这在很大程度上得益于铜的纯度。随着灵敏度的提高，研究人员希望能够发现任何可能在附近的大质量弱相互作用粒子。
霍利斯特说："这个项目已经开发了相当长的时间，所以很高兴看到它开始整合在一起。SNOBOX真的是最后一个主要部件，所以我们期待着尽快安装好这个东西，并让它投入使用。"
