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

Profundamente sob a montanha Gran Sasso, na Itália, um enorme experimento está sendo construído para ouvir o sussurro mais tênue dos habitantes mais esquivos do universo: a matéria escura. Os cientistas acreditam que essa substância invisível compõe a maior parte da matéria no cosmos, mas ela raramente interage com as coisas comuns que podemos ver e tocar. Para captar um vislumbre de uma partícula de matéria escura, os pesquisadores utilizam um tanque preenchido com toneladas de argônio líquido, um fluido supergelado que atua tanto como alvo quanto como detector. Quando uma partícula de matéria escura atinge um átomo de argônio, ela cria um minúsculo lampejo de luz. O desafio é que esses lampejos são incrivelmente tênues, consistindo frequentemente de apenas alguns fótons, e ocorrem em um mar de ruído de fundo. Para vê-los, o experimento precisa de olhos que sejam não apenas sensíveis o suficiente para captar um único fóton, mas também silenciosos o suficiente para não gerarem seus próprios sinais falsos no escuro congelante.

O experimento DarkSide-20k, atualmente em construção, baseia-se em um novo tipo de sensor de luz chamado fotomultiplicador de silício. Ao contrário dos tubos de vácuo tradicionais usados em experimentos mais antigos, esses sensores são dispositivos de estado sólido feitos de silício, semelhantes aos chips de um computador, mas projetados para detectar luz. Eles foram escolhidos por sua capacidade de operar em temperaturas extremamente baixas e por sua falta de radioatividade natural, o que é crucial porque qualquer radiação de fundo proveniente do próprio sensor poderia imitar um sinal de matéria escura. No entanto, esses sensores precisaram ser aperfeiçoados para a tarefa. As primeiras versões tiveram dificuldades no frio, gerando excesso de ruído interno e criando sinais falsos que abafariam os tênues sussurros da matéria escura. Os pesquisadores precisavam provar que a última geração desses sensores, desenvolvida pela Fondazione Bruno Kessler, poderia desempenhar seu papel impecavelmente no ambiente rigoroso do argônio líquido.

Para garantir que os sensores estivessem prontos para o ambiente profundo debaixo da terra, uma equipe de cientistas conduziu uma série rigorosa de testes em dois laboratórios diferentes, um no Canadá e outro na Itália. Eles resfriaram os sensores até 77 Kelvin, uma temperatura apenas 77 graus acima do zero absoluto, que é a mesma temperatura do nitrogênio líquido. Neste estado de congelamento, eles mediram como os sensores se comportavam quando estavam em escuridão total. Eles contaram os pulsos eletrônicos aleatórios que ocorrem mesmo sem luz, conhecidos como ruído escuro, e descobriram que os novos sensores eram notavelmente silenciosos. A taxa desses sinais falsos era baixa o suficiente para que o experimento pudesse distinguir um evento real do ruído de fundo. Eles também estudaram como os sensores reagiam quando um único fóton os atingia, medindo a carga elétrica produzida. Isso permitiu calcular o ganho do sensor, ou o quanto ele amplifica um sinal minúsculo, e confirmou que essa amplificação aumenta previsivelmente à medida que a voltagem é elevada.

Uma parte crítica dos testes envolveu entender como os sensores poderiam acidentalmente disparar uns aos outros. Quando um fóton atinge um sensor e cria um sinal, ele pode às vezes liberar um fóton secundário que voa e atinge um sensor vizinho, causando uma reação em cadeia de sinais falsos. Os pesquisadores mediram esse "crosstalk" (diafonia) e descobriram que, embora isso aconteça, os novos sensores foram projetados para suprimi-lo significativamente. Eles também observaram o "afterpulsing" (pós-pulso), um fenômeno onde um sensor dispara novamente logo após o impacto inicial devido a cargas elétricas presas. O novo design reduziu esse efeito de tal forma que ele é agora praticamente negligenciável para as necessidades do experimento. Essas descobertas confirmaram que os sensores não criariam uma confusão de alarmes falsos no detector final.

A equipe então voltou sua atenção para o quão bem os sensores poderiam realmente ver a luz que foram projetados para detectar. No experimento DarkSide-20k, o argônio líquido emite luz na faixa ultravioleta, que é invisível para os sensores. Para tornar essa luz visível, o tanque é revestido com um produto químico especial que absorve a luz ultravioleta e a reemite como luz azul. Os pesquisadores mediram a eficiência dos sensores em detectar essa luz azul em uma ampla gama de cores. Eles descobriram que os sensores são excepcionalmente bons em capturar esses fótons, com uma eficiência que atinge o pico em quase 50 por cento. Isso significa que para cada dois fótons da cor correta que atingem o sensor, um é detectado e registrado com sucesso. Eles também mapearam como essa eficiência muda com diferentes comprimentos de onda, confirmando que os sensores estão perfeitamente sintonizados com a luz azul específica produzida pelo revestimento do experimento.

Finalmente, os cientistas investigaram os fótons secundários emitidos pelos próprios sensores durante uma avalanche de carga elétrica. Esses fótons errantes poderiam viajar através do argônio líquido e disparar outros sensores, criando uma forma de crosstalk externo que os modelos de computador do experimento precisam contabilizar. Ao iluminar os sensores com um laser e capturar a luz tênue que eles emitiam com uma câmera sensível, a equipe mediu o espectro e a intensidade dessa luz secundária. Eles usaram essas medições para prever quantos desses fótons errantes escapariam do sensor e viajariam através do argônio líquido no detector final. Esses dados são vitais para construir simulações computacionais precisas do experimento, permitindo que os físicos distingam entre sinais reais de matéria escura e a complexa teia de interações causadas pelos próprios sensores.

Os testes abrangentes descritos neste artigo confirmam que os novos sensores de silício estão prontos para o desafio. Eles combinam alta sensibilidade com baixo ruído e interferência mínima, tornando-os ideais para o experimento DarkSide-20k. Ao provar que esses dispositivos podem operar de forma confiável no frio extremo e detectar com precisão os tênues lampejos de luz de potenciais interações de matéria escura, os pesquisadores estabeleceram uma base sólida para uma das buscas por matéria escura mais sensíveis já tentadas. O trabalho garante que, quando o detector estiver totalmente operacional, ele estará ouvindo com os ouvidos mais claros possíveis, pronto para ouvir os segredos mais profundos do universo.