Detector de partículas criogénicas

Los detectores de partículas criogénicas funcionan a temperaturas muy bajas, normalmente solo unos pocos grados por encima del cero absoluto . Estos sensores interactúan con una partícula elemental energética (como un fotón ) y envían una señal que puede relacionarse con el tipo de partícula y la naturaleza de la interacción. Si bien muchos tipos de detectores de partículas pueden funcionar con un rendimiento mejorado a temperaturas criogénicas , este término generalmente se refiere a los tipos que aprovechan los efectos o propiedades especiales que se producen solo a baja temperatura.

La razón más comúnmente citada para operar cualquier sensor a baja temperatura es la reducción del ruido térmico , que es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta . Sin embargo, a temperaturas muy bajas, ciertas propiedades de los materiales se vuelven muy sensibles a la energía depositada por las partículas en su paso a través del sensor, y la ganancia de estos cambios puede ser incluso mayor que la de la reducción del ruido térmico. Dos de estas propiedades comúnmente utilizadas son la capacidad térmica y la resistividad eléctrica , particularmente la superconductividad ; otros diseños se basan en uniones túnel superconductoras , atrapamiento de cuasipartículas , rotones en superfluidos , bolómetros magnéticos y otros principios.

Originalmente, la astronomía impulsó el desarrollo de detectores criogénicos para la radiación óptica e infrarroja. ^[1] Más tarde, la física de partículas y la cosmología motivaron el desarrollo de detectores criogénicos para detectar partículas conocidas y predichas, como neutrinos , axiones y partículas masivas de interacción débil (WIMP). ^{[2] [3]}

Un calorímetro es un dispositivo que mide la cantidad de calor depositado en una muestra de material. Un calorímetro se diferencia de un bolómetro en que el calorímetro mide la energía, mientras que el bolómetro mide la potencia .

Por debajo de la temperatura de Debye de un material dieléctrico cristalino (como el silicio ), la capacidad térmica disminuye inversamente al cubo de la temperatura absoluta. Se vuelve muy pequeña, por lo que el aumento de temperatura de la muestra para una entrada de calor dada puede ser relativamente grande. Esto hace que sea práctico hacer un calorímetro que tenga una excursión de temperatura muy grande para una pequeña cantidad de entrada de calor, como la depositada por una partícula que pasa. El aumento de temperatura se puede medir con un tipo estándar de termistor , como en un calorímetro clásico. En general, se requieren tamaños de muestra pequeños y termistores muy sensibles para hacer un detector de partículas sensible mediante este método.

En principio, se pueden utilizar varios tipos de termómetros de resistencia . El límite de sensibilidad a la deposición de energía está determinado por la magnitud de las fluctuaciones de resistencia, que a su vez están determinadas por las fluctuaciones térmicas . Dado que todas las resistencias presentan fluctuaciones de tensión que son proporcionales a su temperatura, un efecto conocido como ruido de Johnson , una reducción de la temperatura suele ser la única forma de lograr la sensibilidad requerida.

Un sensor calorimétrico muy sensible, conocido como sensor de borde de transición (TES), aprovecha la superconductividad . La mayoría de los superconductores puros tienen una transición muy brusca de resistividad normal a superconductividad a una temperatura baja. Al operar en la transición de fase superconductora, un cambio muy pequeño en la temperatura resultante de la interacción con una partícula da como resultado un cambio significativo en la resistencia.

La unión túnel superconductora (STJ) consta de dos piezas de material superconductor separadas por una capa aislante muy fina (~ nanómetros ) . También se conoce como unión túnel superconductor-aislante-superconductor (SIS) y es un tipo de unión Josephson . Los pares de Cooper pueden atravesar la barrera aislante mediante un efecto túnel, un fenómeno conocido como efecto Josephson . Las cuasipartículas también pueden atravesar la barrera mediante un efecto túnel, aunque la corriente de cuasipartículas se suprime para voltajes inferiores al doble de la brecha de energía superconductora. Un fotón absorbido en un lado de una STJ rompe los pares de Cooper y crea cuasipartículas. En presencia de un voltaje aplicado a través de la unión, las cuasipartículas atraviesan la unión mediante un efecto túnel, y la corriente de efecto túnel resultante es proporcional a la energía del fotón. La STJ también se puede utilizar como un detector heterodino explotando el cambio en la característica corriente-voltaje no lineal que resulta del efecto túnel asistido por fotones. Los STJ son los detectores heterodinos más sensibles disponibles para el rango de frecuencia de 100 GHz a 1  THz y se emplean para la observación astronómica en estas frecuencias.

El detector de inductancia cinética (KID) se basa en la medición del cambio de inductancia cinética causado por la absorción de fotones en una fina tira de material superconductor . El cambio de inductancia se mide normalmente como el cambio en la frecuencia de resonancia de un resonador de microondas , por lo que estos detectores también se conocen como detectores de inductancia cinética de microondas (MKID).

La transición superconductora por sí sola puede utilizarse para medir directamente el calentamiento provocado por una partícula que pasa a través de ella. Un grano superconductor de tipo I en un campo magnético exhibe un diamagnetismo perfecto y excluye el campo completamente de su interior. Si se mantiene ligeramente por debajo de la temperatura de transición, la superconductividad desaparece al calentarse por la radiación de partículas y el campo penetra repentinamente en el interior. Este cambio de campo puede detectarse mediante una bobina circundante. El cambio es reversible cuando el grano se enfría de nuevo. En la práctica, los granos deben ser muy pequeños y fabricados con cuidado, y acoplarse cuidadosamente a la bobina.

Los iones de tierras raras paramagnéticos se utilizan como sensores de partículas al detectar los cambios de espín de los átomos paramagnéticos inducidos por el calor absorbido en un material de baja capacidad térmica. Los iones se utilizan como termómetro magnético.

Los calorímetros suponen que la muestra está en equilibrio térmico o casi. En materiales cristalinos a temperaturas muy bajas, esto no es necesariamente así. Se puede encontrar mucha más información midiendo las excitaciones elementales de la red cristalina, o fonones , causadas por la partícula que interactúa. Esto se puede hacer mediante varios métodos, incluidos los sensores de borde de transición superconductores .

El detector de fotón único de nanohilo superconductor (SNSPD) se basa en un hilo superconductor enfriado muy por debajo de la temperatura de transición superconductora y polarizado con una corriente continua cercana pero menor que la corriente crítica superconductora. El SNSPD generalmente está hecho de películas de nitruro de niobio de aproximadamente 5 nm de espesor que tienen un patrón de nanohilos estrechos (con un ancho típico de 100 nm). La absorción de un fotón rompe los pares de Cooper y reduce la corriente crítica por debajo de la corriente de polarización. Se forma una pequeña sección no superconductora a lo ancho del nanohilo. ^{[4] [5]} Esta sección resistiva no superconductora luego conduce a un pulso de voltaje detectable de una duración de aproximadamente 1 nanosegundo. Las principales ventajas de este tipo de detector de fotones son su alta velocidad (una tasa de conteo máxima de 2 GHz los convierte en los más rápidos disponibles) y su baja tasa de conteo oscuro. La principal desventaja es la falta de resolución de energía intrínseca.

En el superfluido ⁴ He, las excitaciones colectivas elementales son los fonones y los rotones . Una partícula que choca con un electrón o un núcleo en este superfluido puede producir rotones, que pueden detectarse bolométricamente o por la evaporación de átomos de helio cuando alcanzan una superficie libre. ^{El 4} He es intrínsecamente muy puro, por lo que los rotones viajan balísticamente y son estables, de modo que se pueden utilizar grandes volúmenes de fluido.

En la fase B, por debajo de 0,001 K, el superfluido 3He ^actúa de forma similar a un superconductor. Los pares de átomos están unidos como cuasipartículas similares a los pares de Cooper con una brecha de energía muy pequeña del orden de 100 nanoelectronvoltios . Esto permite construir un detector análogo a un detector de túnel superconductor. La ventaja es que se podrían producir muchos pares (~10 ⁹ ) mediante una única interacción, pero las dificultades son que es difícil medir el exceso de átomos normales de ^3He producidos y preparar y mantener mucho superfluido a una temperatura tan baja.

• Twerenbold, Damian (diciembre de 1996). "Detectores de partículas criogénicas". Rep. Prog. Phys . 59 (3): 349–426. Bibcode :1996RPPh...59..349T. doi :10.1088/0034-4885/59/3/002. S2CID  250872972.
• Enss, Christian, ed. (2005). Detección de partículas criogénicas . Springer, Temas de física aplicada 99. ISBN 978-3-540-20113-7.

1. ^ Glass, IS (1999). Manual de astronomía infrarroja . Nueva York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63311-6.
2. ^ Primack, JR; D. Seckel; B. Sadoulet (diciembre de 1988). "Detección de materia oscura cósmica". Revista anual de ciencia nuclear y de partículas . 38 (38): 751–807. Bibcode :1988ARNPS..38..751P. doi : 10.1146/annurev.ns.38.120188.003535 .
3. ^ Pretzl, K. (1988). "Dark Matter Searches" (PDF) . Space Science Reviews . 130 (1–4): 63–72. Bibcode :2007SSRv..130...63P. doi :10.1007/s11214-007-9151-0. S2CID  59043993.
4. ^ Semenov, AD; Gol'Tsman, Gregory N.; Korneev, Alexander A. (2001). "Detección cuántica mediante película superconductora portadora de corriente". Physica C . 351 (4): 349–356. Bibcode :2001PhyC..351..349S. doi :10.1016/S0921-4534(00)01637-3.
5. ^ Gol'tsman, GN; Okunev, O.; Chulkova, G.; Lipatov, A.; Semenov, A.; Smirnov, K.; Voronov, B.; Dzardanov, A.; et al. (2001). "Detector óptico de fotón único superconductor de picosegundos". Letras de Física Aplicada . 79 (6): 705–707. Código Bib : 2001ApPhL..79..705G. doi : 10.1063/1.1388868.