Næste generations mørke stofdetektor i et kapløb om målstregen

Løbet er ved at bygge det mest følsomme amerikansk-baserede eksperiment designet til direkte at detektere partikler af mørkt stof. Ministeriet for Energi har formelt godkendt en vigtig konstruktionsmilepæl, der vil drive projektet frem mod sit april 2020 -mål for færdiggørelse.

LUX-ZEPLIN (LZ) eksperimentet, som vil blive bygget næsten en kilometer under jorden ved Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, S.D., betragtes som en af ​​de bedste satsninger endnu for at afgøre, om teoretiske partikler i mørkt stof kendt som WIMP'er (svagt interagerende massive partikler) faktisk eksisterer. Der er andre kandidater til mørkt stof, også, såsom "aksioner" eller "sterile neutrinoer, "hvilke andre eksperimenter er bedre egnet til at udrydde eller udelukke.

Den hurtige tidsplan for LZ vil hjælpe USA med at forblive konkurrencedygtige med lignende næste generations genopdagelseseksperimenter i mørkt stof, der er planlagt i Italien og Kina.

Den 9. februar kl. projektet bestod en DOE-gennemgang og godkendelse, kendt som Critical Decision 3 (CD-3), som accepterer det endelige design og formelt lancerer byggeri.

"Vi vil forsøge at gå så hurtigt som muligt for at få alt afsluttet inden april 2020, "sagde Murdock" Gil "Gilchriese, LZ -projektdirektør og fysiker ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), det ledende laboratorium for projektet. "Vi fik en meget stærk tilslutning til at gå hurtigt og være først." LZ -samarbejdet har nu omkring 220 deltagende forskere og ingeniører, der repræsenterer 38 institutioner rundt om i verden.

Mørket stofs natur-som fysikere betegner som den usynlige komponent eller den såkaldte "manglende masse" i universet, der ville forklare de hurtigere end forventede omdrejninger i galakser, og deres bevægelse i klynger observeret over hele universet - har unddraget sig forskere, siden dets eksistens blev udledt ved beregninger af den schweiziske astronom Fritz Zwicky i 1933.

Jagten på at finde ud af, hvad mørkt stof er lavet af, eller at lære, om det kan forklares ved at tilpasse de kendte fysiske love på nye måder, betragtes som et af de mest presserende spørgsmål inden for partikelfysik.

Efterfølgende generationer af eksperimenter har udviklet sig for at give ekstrem følsomhed i søgningen, der i det mindste vil udelukke nogle af de sandsynlige kandidater og skjulesteder for mørkt stof, eller kan føre til en opdagelse.

LZ vil være mindst 50 gange mere følsom over for at finde signaler fra partikler i mørkt stof end forgængeren, det store underjordiske Xenon -eksperiment (LUX), som blev fjernet fra SURF sidste år for at gøre plads til LZ. Det nye eksperiment vil bruge 10 tons ultrarenset flydende xenon, at drille mulige signaler fra mørkt stof ud. Xenon, i sin gasform, er et af de sjældneste elementer i Jordens atmosfære.

"Videnskaben er meget overbevisende, så det forfølges af fysikere over hele verden, "sagde Carter Hall, talsmanden for LZ -samarbejdet og en lektor i fysik ved University of Maryland. "Det er en venlig og sund konkurrence, med en stor opdagelse muligvis på spil. "

En planlagt opgradering til det nuværende XENON1T -forsøg på National Institute for Nuclear Physics 'Gran Sasso Laboratory (XENONnT -eksperimentet) i Italien, og Kinas planer om at fremme arbejdet med PandaX-II, er også beregnet til at være førende underjordiske eksperimenter, der vil bruge flydende xenon som medium til at opsøge et mørkt stofsignal. Begge disse projekter forventes at have en lignende tidsplan og skala til LZ, selvom LZ -deltagere sigter mod at opnå en højere følsomhed over for mørkt stof end disse andre udfordrere.

Hall bemærkede, at mens WIMP'er er et primært mål for LZ og dets konkurrenter, LZs udforskninger af ukendt område kan føre til en række overraskende opdagelser. "Folk udvikler alle mulige modeller til at forklare mørkt stof, "sagde han." LZ er optimeret til at observere en tung WIMP, men det er også følsomt over for nogle mindre konventionelle scenarier. Det kan også søge efter andre eksotiske partikler og sjældne processer. "

LZ er designet således, at hvis en partikel af mørkt stof kolliderer med et xenonatom, det vil producere et hurtigt lysglimt efterfulgt af et andet lysglimt, når elektronerne, der produceres i det flydende xenonkammer, driver til toppen. Lyset pulserer, opfanget af en serie på omkring 500 lysforstærkende rør, der forer den massive tank-over fire gange mere end der blev installeret i LUX-vil bære det talende fingeraftryk af partiklerne, der skabte dem.

Daniel Akerib, Thomas Shutt, og Maria Elena Monzani leder LZ -teamet på SLAC National Accelerator Laboratory. SLAC -indsatsen inkluderer et program til at rense xenon for LZ ved at fjerne krypton, et element, der typisk findes i spormængder med xenon efter standardforædlingsprocesser. "Vi har allerede demonstreret den oprensning, der kræves for LZ, og arbejder nu på måder at yderligere rense xenon for at udvide videnskabelig rækkevidde af LZ, "Sagde Akerib.

SLAC- og Berkeley Lab-samarbejdspartnere udvikler og tester også håndvævede trådgitre, der trækker elektriske signaler frem, der produceres af partikelinteraktioner i den flydende xenontank. Prototyper i fuld størrelse vil blive betjent senere på året på en SLAC-testplatform. "Disse tests er vigtige for at sikre, at netene ikke producerer lavniveau elektrisk afladning, når de drives ved højspænding, da udledningen kunne oversvømme et svagt signal fra mørkt stof, "sagde Shutt.

Hugh Lippincott, en Wilson -stipendiat ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) og fysikkoordinatoren for LZ -samarbejdet, sagde, "Ved siden af ​​bestræbelserne på at få detektoren bygget og tage data så hurtigt som vi kan, Vi bygger også vores simulerings- og dataanalyseværktøjer op, så vi kan forstå, hvad vi ser, når detektoren tænder. Vi vil være klar til fysik, så snart det første lysglimt dukker op i xenon. "Fermilab er ansvarlig for at implementere vigtige dele af det kritiske system, der håndterer, renser, og afkøler xenon.

Alle komponenterne til LZ måles omhyggeligt for naturligt forekommende strålingsniveauer for at tage højde for mulige falske signaler, der kommer fra komponenterne selv. Et støvfiltrerende renrum forberedes til LZs samling, og en radonreducerende bygning er under opførelse på South Dakota-stedet-radon er en naturligt forekommende radioaktiv gas, der kan forstyrre detektering af mørkt stof. Disse trin er nødvendige for at fjerne baggrundsignaler så meget som muligt.

De kar, der vil omgive det flydende xenon, som er ansvarlige for de britiske deltagere i samarbejdet, samles nu i Italien. De vil blive bygget med verdens mest ultrarene titanium for yderligere at reducere baggrundsstøj.

For at sikre, at uønskede partikler ikke læses forkert som signaler fra mørkt stof, LZs flydende xenonkammer vil være omgivet af en anden væskefyldt tank og et separat array af fotomultiplikatorrør, der kan måle andre partikler og stort set nedlægge veto mod falske signaler. Brookhaven National Laboratory håndterer produktionen af ​​en anden meget ren væske, kendt som en scintillatorvæske, der vil gå ind i denne tank.

Renrummet vil være på plads inden juni, Gilchriese sagde, og klargøring af hulen, hvor LZ skal huses, er i gang på SURF. Montering og installation på stedet begynder i 2018, han tilføjede, og al den xenon, der er nødvendig til projektet, er enten allerede leveret eller er under kontrakt. Xenon gas, som er dyrt at producere, bruges til belysning, medicinsk billeddannelse og anæstesi, fremdriftssystemer til rumkøretøjer, og elektronikindustrien.

"South Dakota er stolte over at være vært for LZ -eksperimentet på SURF og bidrage med 80 procent af xenon til LZ, "sagde Mike Headley, administrerende direktør for South Dakota Science and Technology Authority (SDSTA), der fører tilsyn med SURF. "Vores anlægsarbejde er i gang, og vi er på rette vej til at understøtte LZs tidslinje."

Britiske forskere, der udgør omkring en fjerdedel af LZ-samarbejdet, bidrager med hardware til de fleste undersystemer. Henrique Araújo, fra Imperial College London, sagde, "Vi glæder os til at se alt komme sammen efter en lang periode med design og planlægning."

Kelly Hanzel, LZ -projektleder og en mekanisk ingeniør i Berkeley Lab, tilføjet, "Vi har et fremragende samarbejde og et team af ingeniører, der er dedikeret til projektets videnskab og succes." Den seneste milepæl for godkendelse, hun sagde, "er nok det vigtigste trin indtil nu, "da det giver mulighed for køb af de fleste af hovedkomponenterne i LZ's understøttelsessystemer.