Detector de partículas criogénico

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 energía, mientras que un bolómetro mide potencia .

Por debajo de la temperatura de Debye de un material dieléctrico cristalino (como el silicio ), la capacidad calorífica disminuye inversamente proporcional al cubo de la temperatura absoluta. Se vuelve muy pequeña, por lo que el aumento de temperatura de la muestra para una determinada entrada de calor puede ser relativamente grande. Esto permite construir un calorímetro con una gran variación de temperatura para una pequeña cantidad de calor, como la depositada por una partícula en movimiento. El aumento de temperatura se puede medir con un termistor estándar , como en un calorímetro clásico. En general, para construir un detector de partículas sensible mediante este método se requieren muestras pequeñas y termistores muy sensibles.

En principio, se pueden utilizar varios tipos de termómetros de resistencia . El límite de sensibilidad a la deposición de energía viene determinado por la magnitud de las fluctuaciones de resistencia, que a su vez dependen de las fluctuaciones térmicas . Dado que todas las resistencias presentan fluctuaciones de voltaje proporcionales a su temperatura, un efecto conocido como ruido de Johnson , reducir la temperatura suele ser la única forma de lograr la sensibilidad requerida.

Los calorímetros asumen que la muestra se encuentra en equilibrio térmico o casi en él. En materiales cristalinos a temperaturas muy bajas, esto no siempre es así. Se puede obtener mucha más información midiendo las excitaciones elementales de la red cristalina, o fonones , causadas por la partícula que interactúa. Esto se puede lograr mediante diversos métodos, incluidos los sensores de borde de transición superconductores .

El detector de fotones individuales de nanocables superconductores (SNSPD) se basa en un nanocable superconductor enfriado muy por debajo de la temperatura de transición superconductora y polarizado con una corriente continua cercana, pero inferior, a la corriente crítica superconductora. El SNSPD se fabrica típicamente con películas de nitruro de niobio  de ≈ 5 nm de espesor , 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 genera un pulso de voltaje detectable con 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 oscuro. La principal desventaja es la falta de resolución energética intrínseca.  

En el superfluido ^⁴He , las excitaciones colectivas elementales son fonones y rotones . Una partícula que impacta contra un electrón o núcleo en este superfluido puede producir rotones, los cuales pueden detectarse bolométricamente o mediante la evaporación de átomos de helio al alcanzar una superficie libre. El ^⁴He es intrínsecamente muy puro, por lo que los rotones se propagan balísticamente y son estables, lo que permite utilizar grandes volúmenes de fluido.

En la fase B, por debajo de 0,001 K, el ³He superfluido se ^comporta de forma similar a un superconductor. Los pares de átomos se unen 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 se podrían producir muchos pares (~10⁹ ⁾ mediante una sola interacción, pero las dificultades radican en la dificultad de medir el exceso de átomos de ³He normales ^producidos y en la dificultad de preparar y mantener una cantidad suficiente de superfluido a temperaturas tan bajas.