Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment

Bajo la montaña Gran Sasso en Italia, se está construyendo un experimento masivo para escuchar el susurro más tenue de los habitantes más esquivos del universo: la materia oscura. Los científicos creen que esta sustancia invisible constituye la mayor parte de la materia en el cosmos, aunque rara vez interactúa con las cosas ordinarias que podemos ver y tocar. Para captar un destello de una partícula de materia oscura, los investigadores utilizan un tanque lleno de toneladas de argón líquido, un fluido superfrío que actúa tanto como blanco como detector. Cuando una partícula de materia oscura golpea un átomo de argón, crea un diminuto destello de luz. El desafío es que estos destellos son increíblemente tenues, consistiendo a menudo en solo unos pocos fotones, y ocurren en un mar de ruido de fondo. Para verlos, el experimento necesita ojos que no solo sean lo suficientemente sensibles como para captar un solo fotón, sino también lo suficientemente silenciosos como para no generar sus propias señales falsas en la oscuridad gélida.

El experimento DarkSide-20k, actualmente en construcción, depende de un nuevo tipo de sensor de luz llamado fotomultiplicador de silicio. A diferencia de los tubos de vacío tradicionales utilizados en experimentos anteriores, estos sensores son dispositivos de estado sólido hechos de silicio, similares a los chips de una computadora pero diseñados para detectar la luz. Se eligieron por su capacidad para operar a temperaturas extremadamente bajas y por su falta de radiactividad natural, lo cual es crucial porque cualquier radiación de fondo proveniente del propio sensor podría imitar una señal de materia oscura. Sin embargo, estos sensores tuvieron que ser perfeccionados para la tarea. Las primeras versiones tuvieron dificultades en el frío, generando demasiado ruido interno y creando señales falsas que ahogaban los tenues susurros de la materia oscura. Los investigadores necesitaban demostrar que la última generación de estos sensores, desarrollada por la Fondazione Bruno Kessler, podía funcionar sin fallos en el entorno hostil del argón líquido.

Para asegurar que los sensores estuvieran listos para el entorno profundo subterráneo, un equipo de científicos llevó a cabo una serie rigurosa de pruebas en dos laboratorios diferentes, uno en Canadá y otro en Italia. Enfriaron los sensores hasta los 77 Kelvin, una temperatura que es apenas 77 grados por encima del cero absoluto, la cual es la misma temperatura que el nitrógeno líquido. En este estado de congelación, midieron cómo se comportaban los sensores cuando estaban en oscuridad total. Contaron los pulsos electrónicos aleatorios que ocurren incluso sin luz, conocidos como ruido oscuro, y encontraron que los nuevos sensores eran notablemente silenciosos. La tasa de estas señales falsas era lo suficientemente baja como para que el experimento pudiera distinguir un evento real del ruido de fondo. También estudiaron cómo reaccionaban los sensores cuando un solo fotón los golpeaba, midiendo la carga eléctrica producida. Esto les permitió calcular la ganancia del sensor, o cuánto amplifica una señal diminuta, y confirmó que esta amplificación aumenta de manera predecible a medida que se eleva el voltaje.

Una parte crítica de las pruebas consistió en comprender cómo los sensores podrían activar accidentalmente a otros. Cuando un fotón golpea un sensor y crea una señal, a veces puede liberar un fotón secundario que vuela hacia un sensor vecino, causando una reacción en cadena de señales falsas. Los investigadores midieron este "crosstalk" (diafonía) y descubrieron que, aunque sucede, los nuevos sensores han sido diseñados para suprimirlo significáneamente. También estudiaron el "afterpulsing" (pospulso), un fenómeno donde un sensor se dispara nuevamente poco después del impacto inicial debido a cargas eléctricas atrapadas. El nuevo diseño redujo este efecto tanto que ahora es prácticamente insignificante para las necesidades del experimento. Estos hallazgos confirmaron que los sensores no crearían un caos confuso de falsas alarmas en el detector final.

El equipo dirigió entonces su atención a qué tan bien podían los sensores ver la luz que fueron diseñados para detectar. En el experimento DarkSide-20k, el argón líquido emite luz en el rango ultravioleta, que es invisible para los sensores. Para hacer que esta luz sea visible, el tanque se recubre con un producto químico especial que absorbe la luz ultravioleta y la reemite como luz azul. Los investigadores midieron la eficiencia de los sensores para detectar esta luz azul a través de una amplia gama de colores. Encontraron que los sensores son excepcionalmente buenos captando estos fotones, con una eficiencia que alcanza un máximo de casi el 50 por ciento. Esto significa que por cada dos fotones del color adecuado que golpean el sensor, uno es detectado y registrado con éxito. También mapearon cómo cambia esta eficiencia con diferentes longitudes de onda, confirmando que los sensores están perfectamente sintonizados con la luz azul específica producida por el recubrimiento del experimento.

Finalmente, los científicos investigaron los fotones secundarios emitidos por los propios sensores durante una avalancha de carga eléctrica. Estos fotones errantes podrían viajar a través del argón líquido y activar otros sensores, creando una forma de crosstalk externo que los modelos computacionales del experimento necesitan contabilizar. Al iluminar los sensores con un láser y capturar la tenue luz que emitían con una cámara sensible, el equipo midió el espectro y la intensidad de esta luz secundaria. Utilizaron estas mediciones para predecir cuántos de estos fotones errantes escaparían del sensor y viajarían a través del argón líquido en el detector final. Estos datos son vitales para construir simulaciones computacionales precisas del experimento, permitiendo a los físicos distinguir entre señales reales de materia oscura y la compleja red de interacciones causadas por los propios sensores.

Las exhaustivas pruebas descritas en este documento confirman que los nuevos sensores de silicio están listos para el desafío. Combinan alta sensibilidad con bajo ruido y una interferencia mínima, lo que los hace ideales para el experimento DarkSide-20k. Al demostrar que estos dispositivos pueden operar de manera confiable en el frío extremo y detectar con precisión los tenues destellos de luz de las posibles interacciones de materia oscura, los investigadores han sentado una base sólida para una de las búsquedas de materia oscura más sensibles jamás intentadas. El trabajo asegura que, cuando el detector esté plenamente operativo, estará escuchando con los oídos más claros posibles, listo para oír los secretos más profundos del universo.