Detector de partículas criogénicas

Los detectores de partículas criogénicas funcionan a temperaturas muy bajas, normalmente sólo 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 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 tipos que aprovechan efectos o propiedades especiales que ocurren solo a bajas temperaturas.

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 temperaturas muy bajas, ciertas propiedades del material 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 calorífica y la resistividad eléctrica, en particular la superconductividad; otros diseños se basan en uniones de túneles superconductores, captura de cuasipartículas, rotones en superfluidos, 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 que interactúan débilmente (WIMP).^[2][3]

Tipos de detectores de partículas criogénicas

Detección calorimétrica de partículas

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, de modo que el aumento de temperatura de la muestra para un aporte de calor determinado puede ser relativamente grande. Esto hace que sea práctico fabricar un calorímetro que tenga una variación de temperatura muy grande para una pequeña cantidad de calor aportado, como el depositado 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 requieren un tamaño de muestra pequeño y termistores muy sensibles para fabricar un detector de partículas sensible con 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 superconductores de borde de transición

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 una temperatura baja. Al operar en la transición de fase superconductora, un cambio muy pequeño de 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 Josephson. Los pares de Cooper pueden atravesar la barrera aislante, un fenómeno conocido como efecto Josephson. Las cuasipartículas también pueden atravesar la barrera, 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 un 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 y la corriente de túnel resultante es proporcional a la energía del fotón. El STJ también se puede utilizar como detector heterodino aprovechando el cambio en la característica 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 a 1 THz y se emplean para la observación astronómica 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 fina tira de material superconductor. El cambio de inductancia normalmente se mide 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 presenta un diamagnetismo perfecto y excluye completamente el campo 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 ser detectado por una bobina circundante. El cambio es reversible cuando el grano se vuelve a enfriar. En la práctica, los granos deben ser muy pequeños, fabricados con cuidado y acoplados cuidadosamente a la bobina.

Calorímetros magnéticos

Los iones paramagnéticos de tierras raras se están utilizando 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 calorífica. Los iones se utilizan como termómetro magnético.

Otros métodos

Detección de partículas de fonones

Los calorímetros suponen 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 de nanocables superconductores (SNSPD) se basa en un cable 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 suele estar fabricado a partir de películas de nitruro de niobio de ≈ 5 nm de espesor que están modeladas 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 nanocable.^{[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 conteo máxima de 2 GHz los convierte en los más rápidos disponibles) y su baja tasa de conteo en oscuridad. La principal desventaja es la falta de resolución de energía intrínseca.

Detectores de rotores

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

Cuasipartículas en superfluido 3He

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 muchos (~10⁹) pares podría producirse mediante una sola interacción, pero las dificultades son que es difícil medir el exceso de átomos ³He normales producidos y preparar y mantener muchos superfluido a tan baja temperatura.