费米国家加速器实验室杰尔德·平森 在深地下中微子实验中，为在低温下工作而制造的模数转换器，如这里的原型，将在液氩室中运行
荣誉:阿尔伯·戴尔，费米实验室 你如何探测一个几乎没有质量的粒子，只感受到四种基本力中的两种，并且可以不受阻碍地穿过固体铅一整光年而不与物质相互作用？这就是中微子带来的问题，中微子是由恒星(包括我们的太阳)和地球上的核反应产生的数万亿个幽灵粒子
科学家还可以利用粒子加速器产生中微子，在受控实验中进行研究
探测中微子的方法之一是用装满液态氩的大容器，包裹一个复杂的集成电路网，该集成电路网可以在比海王星上的平均温度更低的温度下工作
工业通常不使用在低温下工作的电子设备，所以粒子物理学家必须自己设计
包括费米实验室在内的几个能源部国家实验室一直在合作开发电子产品原型，最终将用于费米实验室主持的名为“沙丘”的国际深层地下中微子实验
沙丘将在伊利诺伊州的费米实验室产生一束强烈的中微子，并将它穿过800英里的地壳送到南达科他州的探测器
实验结果可能有助于科学家理解为什么物质比反物质多，反物质的不平衡导致了我们宇宙的形成
物理和寒冷 沙丘的中微子探测器将是巨大的:总共有四个罐，每个罐有四层楼那么高，将包含总共70，000吨液态氩，并位于地球表面下一英里的洞穴中
氩在我们的大气中是以气体的形式自然产生的，把它变成液体需要把它冷却到极低的温度
液态氩的原子核如此密集地聚集在一起，以至于一些从费米实验室出来的著名的难以捉摸的中微子会与它们相互作用，留下它们经过的迹象
由此产生的碰撞产生了向各个方向散射的不同粒子，包括电子，物理学家利用这些粒子来重建原本不可见的中微子的路径
探测器内保持的强电场导致自由电子向附着在敏感电子器件上的导线漂移
当电子通过导线时，它们会产生小的电压脉冲，并被液氩室中的电子设备记录下来
然后，室内的放大器通过提高电压来增强信号，之后信号被转换成数字数据
最后，在整个室中收集和数字化的信号被合并在一起，并被发送到检测器外部的计算机进行存储和分析
冷冻电子产品面临的挑战 中微子探测器中的电子设备与我们日常生活中使用的技术工作方式相同，只有一个主要的例外
我们的手机、电脑、照相机、汽车、微波炉和其他设备中的集成电路已经被开发出来，可以在室温或室温附近工作，最低可达零下40摄氏度
然而，中微子探测器中的液态氩被冷却到零下200度左右
费米实验室的科学家大卫·克里斯汀说:“如果你使用设计成在室温下工作的电子设备，你很少会发现它们在任何地方都能像那些设计成在低温下工作的电子设备一样工作。”
在过去，这个问题是通过把电子电路放在氩罐外面来回避的
但是当你测量有限数量的电子时，即使是最微小的电子噪声也能掩盖你所寻找的信号
缓解这个问题最简单的方法就是你用来防止食物变坏的策略:保持食物低温
如果所有的电子设备都浸没在液态氩中，原子的热振动就会减少，信噪比就会提高
将电子设备放在液氩罐中还有一个额外的好处，那就是减少了向放大器传输信号所需的导线数量
例如，如果放大器和模数转换器放在室外(就像在一些中微子探测器中一样)，长电线必须将它们连接到室内的探测器上
劳伦斯·伯克利国家实验室的工程师卡尔·格雷斯说:“如果你把电子设备放在冷藏室里，你的电线就会短得多，因此噪音也会低。”
“你把信号放大，在氩室里数字化
这样，你就有了一个与外界的数字接口，在这个接口中，噪音不再是一个问题
" 这些团队在开发过程中必须克服几个设计挑战，其中最重要的是确定如何测试设备的耐用性
格雷斯说:“这些芯片至少要运行20多年，希望更长。”
“由于氩室的性质，放在里面的电子设备不能改变
它们不能以任何方式换出或修复
" 由于格雷斯和他的团队没有20年的时间来测试他们的原型，他们通过增加给芯片供电的电压来模拟正常、长期运行的磨损，从而近似了老化的影响
“我们拿走电子设备，冷却它们，然后提高它们的电压，加速它们的老化，”格雷斯说
“通过在相对较短的时间内观察它们的行为，我们就可以估算出，如果它们在设计的电压下工作，电子设备可以使用多长时间
" 电路电阻 这些电路不仅需要持续几十年，还需要以另一种方式使其更加耐用
电子电路对流经它的电流有一定的阻力
当电子通过电路时，它们与导电材料中振动的原子相互作用，从而减慢它们的速度
但是当电子设备被冷却到低温时，这些相互作用就减少了，构成信号的电子平均移动得更快
这在产量上是好事；当置于液态氩中时，为沙丘制造的集成电路将更有效地工作
但是，随着温度的下降，电子在电路中的速度越来越快，它们会开始对电路本身造成损害
“如果电子有足够高的动能，它们实际上可以开始从导电材料的晶体结构中剥离原子，”格雷斯说
“这就像子弹打在墙上
随着时间的推移，这堵墙开始失去完整性
" 沙丘芯片的设计是为了减轻这种影响
这些芯片是使用大的组成器件制造的，以最大限度地减少累积的损坏，并且它们在比室温下正常使用的电压更低的电压下使用
科学家还可以随着时间的推移调整操作参数，以补偿他们多年使用过程中出现的任何损坏
完成时间表 随着“沙丘”项目的准备工作进展顺利，实验预计在2027年开始产生数据，来自许多机构的科学家一直在努力开发电子原型
布鲁克海文国家实验室的科学家正在努力完善放大器，而费米实验室、布鲁克海文和伯克利实验室的团队正在合作设计模数转换器
费米实验室还与南方卫理公会大学合作开发了一种电子元件，该元件可以在氩罐中的所有数据传输到冷探测器外的电子设备之前将其合并
最后，在SLAC国家加速器实验室从事竞争设计的研究人员正试图找到一种方法，将所有三个组件有效地结合到一个集成电路中
各个团队计划在今年夏天提交他们的电路设计供审查
选定的设计将被建造并最终安装在南达科他州桑福德地下中微子设施的沙丘中微子探测器上
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