Opdagelse af mørkt stof modtager 10 ton opgradering

I en forladt guldmine en kilometer under bly, South Dakota, kosmos dæmpes nok til potentielt at høre de svage hvisken fra universets mest undvigende materiale - mørkt stof.

Beskyttet mod syndfloden af ​​kosmiske stråler, der konstant bruser jordens overflade, og skrubbet af støjende radioaktive metaller og gasser, minen, videnskabsfolk mener, vil være den ideelle ramme for det mest følsomme mørke stofeksperiment til dato. Kendt som LUX-ZEPLIN, eksperimentet lanceres i 2020 og vil lytte efter en sjælden kollision mellem en partikel af mørkt stof med 10 tons flydende xenon.

Ti University of Wisconsin – Madison forskere er involveret i at designe og teste detektoren, og er en del af et team på mere end 200 forskere fra 38 institutioner i fem lande, der arbejder på projektet. Denne måned, godkendte energiministeriet de sidste faser af montering og konstruktion af LZ ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota, med en samlet projektomkostning på $ 55 millioner. Yderligere støtte kommer fra internationale samarbejdspartnere i Det Forenede Kongerige, Sydkorea og Portugal, samt South Dakota Science and Technology Authority. Forskernes mål er at tage eksperimentet online så hurtigt som muligt for at konkurrere i et globalt løb for at være den første til at opdage mørkt stof.

I 1930'erne, som astronomer studerede rotationen af ​​fjerne galakser, de bemærkede, at der ikke var nok stof - stjerner, planeter, varm gas - for at holde galakserne sammen gennem tyngdekraften. Der skulle være en ekstra masse, der hjalp med at binde alt det synlige materiale sammen, men det var usynligt, mangler.

Mørkt stof, forskere mener, omfatter den manglende masse, bidrager med en kraftig tyngdekrafts modvægt, der forhindrer galakser i at flyve fra hinanden. Selvom mørkt stof hidtil har vist sig at være uopdageligt, der kan være meget af det - cirka fem gange mere end almindeligt stof.

"Partikler af mørkt stof kan være lige her i rummet, der strømmer gennem dit hoved, måske lejlighedsvis støder på et af dine atomer, "siger Duncan Carlsmith, professor i fysik ved UW – Madison.

En foreslået forklaring på mørkt stof er svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er, partikler, der normalt passerer uopdaget gennem normalt stof, men som kan, lejlighedsvis, støde ind i det. LZ -eksperimentet, og lignende projekter i Italien og Kina, er designet til at opdage - eller udelukke - WIMP'er i søgen efter at forklare dette spøgelsesagtige materiale.

Detektoren er sat op som en enorm klokke, der er i stand til at ringe som reaktion på det letteste tryk fra en partikel af mørkt stof. Beliggende i to yderkamre designet til at detektere og fjerne forurenende partikler ligger et kammer fyldt med 10 tons flydende xenon. Hvis et stykke mørkt stof løber ind i et xenonatom, xenon vil kollidere med sine naboer, producerer et udbrud af ultraviolet lys og frigiver elektroner.

Øjeblikke senere, de frie elektroner vil excitere xenongassen i toppen af ​​kammeret og frigive et sekund, et lysere udbrud af lys. Mere end 500 fotomultiplikatorrør vil se efter disse signaler, som tilsammen kan skelne mellem en forurenende partikel og ægte mørke stofkollisioner.

Kimberly Palladino, en adjunkt i fysik ved UW – Madison, og kandidatstuderende Shaun Alsum var en del af forskerteamet for LUX, forgængeren til LZ, som satte rekorder, der søgte efter WIMP'er. Baseret på deres erfaring fra det tidligere eksperiment, Palladino, Alsum, kandidatstuderende Jonathan Nikoleyczik og bachelorforskere udfører simuleringer af mørke stofkollisioner og prototyper partikeldetektoren for at øge følsomheden af ​​LZ og strengere kassere signaler produceret af almindeligt stof.

LZ -projektet er "at gøre videnskab på den måde, du vil gøre videnskab, "siger Palladino, forklarer, hvordan samarbejdet giver tiden, finansiering og ekspertise, der er nødvendig for at løse fundamentale spørgsmål om universets natur.

Succesen for LZ afhænger til dels af at udelukke kontaminerende materialer, herunder reaktive kemikalier og spormængder af radioaktive elementer fra xenon, som er afhængig af teknisk dygtighed leveret af UW - Madisons Physical Sciences Laboratory. Jeff Cherwinka, chefingeniør for LZ -projektet og en PSL -maskiningeniør, overvåger montering af detektoren i mørkt stof i et særligt anlæg, der er skrubbet af radioaktivt radon og designer et system til løbende at fjerne gas, der udvaskes fra xenonkammerforingen. Sammen med PSL -ingeniøren Terry Benson, Cherwinka designer også xenon -lagersystemet for at forhindre, at radioaktive elementer lækker ind under transport og installation.

"Det er en af ​​universitetets styrker, at vi har ingeniør- og fremstillingsekspertisen til at bidrage til disse store projekter, "siger Cherwinka." Det hjælper UW med at få større andel i disse projekter. "

I mellemtiden, Carlsmith og Sridhara Dasu, også en UW - Madison professor i fysik, er ved at designe beregningssystemer til at styre og analysere de data, der kommer ud af detektoren for at være klar til at lytte efter mørke stofkollisioner, så snart LZ tændes i 2020. Når den er operationel, LZ vil hurtigt nærme sig den grundlæggende grænse for dens detektionskapacitet, baggrundsstøjen fra partikler, der strømmer ud af solen.

"Om et år, hvis der ikke er nogen WIMP'er, eller hvis de interagerer for svagt, vi ser ingenting, "siger Carlsmith. Forsøget forventes at fungere i mindst fem år for at bekræfte eventuelle indledende observationer og sætte nye grænser for potentielle interaktioner mellem WIMP'er og almindeligt stof.

Andre forsøg, herunder Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center -projekter IceCube, HAWC, og CTA, søger efter underskrifterne for tilintetgørelse af mørkt stof som uafhængige og indirekte metoder til at undersøge mørket stofs natur. Ud over, UW – Madison forskere arbejder på Large Hadron Collider, søger efter beviser for, at mørkt stof produceres under partikelkollisioner med høj energi. Denne kombination af bestræbelser giver den bedste mulighed endnu for at afdække mere om mørket stofs natur, og dermed udviklingen og strukturen i vores univers.