Detector de partículas criogénicas

Los detectores de partículas criogénicas operan a muy baja temperatura, típicamente solo unos pocos grados por encima del cero absoluto . Estos sensores interactúan con una partícula elemental energética (como un fotón ) y entregan una señal que puede estar relacionada 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 tipos que aprovechan los efectos especiales o propiedades que ocurren solo a baja temperatura.

Introducción

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 muy baja temperatura, ciertas propiedades del material se vuelven muy sensibles a la energía depositada por las partículas al pasar por el 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 calorífica y la resistividad eléctrica , particularmente la superconductividad ; otros diseños se basan en uniones de túneles superconductores , atrapamiento de cuasipartículas , rotones ensuperfluidos , bolómetros magnéticos y otros principios.

Originalmente, la astronomía impulsó el desarrollo de detectores criogénicos para 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]}

Tipos de detectores de partículas criogénicas

Detección de partículas calorimétricas

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 un calorímetro mide la energía, mientras que un bolómetro mide la potencia .

Por debajo de la temperatura de Debye de un material dieléctrico cristalino (como el silicio ), la capacidad calorífica disminuye inversamente al cubo de la temperatura absoluta. Se vuelve muy pequeño, por lo que el aumento de temperatura de la muestra para un aporte de calor dado 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 de termistor estándar , como en un calorímetro clásico. En general, se requiere un tamaño de muestra pequeño y termistores muy sensibles para fabricar un detector de partículas sensibles 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 exhiben fluctuaciones de voltaje que son proporcionales a su temperatura, un efecto conocido como ruido de Johnson , una reducción de la temperatura es a menudo la única forma de lograr la sensibilidad requerida.

Sensores de borde de transición superconductores

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 la resistividad normal a la superconductividad a alguna 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.

Uniones de túneles superconductores

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

Detectores de inductancia cinética

El detector de inductancia cinética (KID) se basa en medir el cambio de inductancia cinética provocado por la absorción de fotones en una tira fina de material superconductor . El cambio en la inductancia se mide típicamente como el cambio en la frecuencia de resonancia de un resonador de microondas y, por lo tanto, estos detectores también se conocen como detectores de inductancia cinética de microondas (MKID).

Gránulos superconductores

La transición superconductora por sí sola se puede utilizar para medir directamente el calentamiento causado por el paso de una partícula. 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 radiación de partículas y el campo penetra repentinamente en el interior. Este cambio de campo puede ser detectado por una bobina circundante. El cambio es reversible cuando el grano se enfría nuevamente. En la práctica, los granos deben ser muy pequeños y cuidadosamente elaborados, y cuidadosamente acoplados a la bobina.

Calorímetros magnéticos

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

Otros metodos

Detección de partículas de fonones

Los calorímetros asumen que la muestra está en equilibrio térmico o casi. En materiales cristalinos a muy baja temperatura, este no es necesariamente el caso. 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 sensores de borde de transición superconductores .

Detectores de fotón único de nanocables superconductores

El detector de fotón único superconductor nanocable (SNSPD) se basa en un alambre superconductor enfriado muy por debajo de la temperatura de transición superconductora y sesgada con una dc actual que está cerca pero menos de la corriente crítica de superconducción. El SNSPD se fabrica típicamente a partir de películas de nitruro de niobio de ≈ 5 nm de grosor que se modelan como nanocables 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 nanoalambre. ^{[4] [5]}Esta sección resistiva no superconductora 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 recuento máxima de 2 GHz los hace los más rápidos disponibles) y su baja tasa de recuento de oscuridad. La principal desventaja es la falta de resolución de energía intrínseca.

Detectores de rotón

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

Cuasipartículas en superfluido ³ He

En la fase B, por debajo de 0,001 K, el superfluido 3 He actúa de forma similar a un superconductor. Pares de átomos están unidos como cuasi-partículas similares a los pares de Cooper con una muy pequeña diferencia de energía del orden de 100 nano electronvoltios . Esto permite construir un detector análogo a un detector de túnel superconductor. La ventaja es que podrían producirse muchos (~ ¹⁰⁹ ) pares mediante una sola interacción, pero las dificultades son que es difícil medir el exceso de átomos normales de ³ He producidos y preparar y mantener mucho superfluido a una temperatura tan baja.

Referencias

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

1. ^ Vidrio, ES (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". Revisión anual de ciencia nuclear y de partículas . 38: 751–807. Códigobibliográfico:1988ARNPS..38..751P. doi: 10.1146 / annurev.ns.38.120188.003535 .
3. ^ Pretzl, K. (1988). "Búsquedas de materia oscura"(PDF). Reseñas de ciencia espacial. 130(1–4): 63–72. CódigoBibliográfico:2007SSRv..130 ... 63P. doi:10.1007 / s11214-007-9151-0.
4. ^ Semenov, AD; Gol'Tsman, Gregory N .; Korneev, Alexander A. (2001). "Detección cuántica por película superconductora portadora de corriente". Physica C. 351(4): 349–356. CódigoBibliográfico: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. Códigobibliográfico:2001ApPhL..79..705G. doi:10.1063 / 1.1388868.

Ver también

• Bolómetro
• Detector
• Muro de dominio (magnetismo)
• Fijación de flujo
• Teoría de Ginzburg-Landau
• Representación Husimi Q
• Efecto Josephson
• Efecto Meissner
• Microbolómetro
• Superconductores