Byggeriet begynder på et af verdens mest følsomme eksperimenter i mørkt stof

Det amerikanske energiministerium har godkendt finansiering og start af byggeriet til SuperCDMS SNOLAB -eksperimentet, som vil starte operationer i begyndelsen af ​​2020'erne for at jage efter hypotetiske partikler i mørkt stof kaldet svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er. Eksperimentet vil være mindst 50 gange mere følsomt end forgængeren, udforske WIMP -egenskaber, der ikke kan undersøges ved andre eksperimenter og give forskere et kraftfuldt nyt værktøj til at forstå et af de største mysterier i moderne fysik.

DOE's SLAC National Accelerator Laboratory styrer byggeprojektet for det internationale SuperCDMS -samarbejde mellem 111 medlemmer fra 26 institutioner, som forbereder sig på at lave research med eksperimentet.

"At forstå mørkt stof er et af de hotteste forskningsemner - på SLAC og rundt om i verden, "sagde JoAnne Hewett, leder af SLAC's Fundamental Physics Directorate og laboratoriets forskningschef. "Vi er glade for at lede projektet og arbejde sammen med vores partnere om at bygge dette næste generations eksperiment med mørkt stof."

Med DOE -godkendelser, kendt som kritiske beslutninger 2 og 3, forskerne kan nu bygge eksperimentet. DOE Office of Science vil bidrage med $19 millioner til indsatsen, går sammen med National Science Foundation ($ 12 millioner) og Canada Foundation for Innovation ($ 3 millioner).

"Vores eksperiment vil være verdens mest følsomme for relativt lette WIMP'er - i et masseområde fra en brøkdel af protonmassen til omkring 10 protonmasser, "sagde Richard Partridge, leder af SuperCDMS-gruppen ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), et fælles institut for SLAC og Stanford University. "Denne følsomhed uden sidestykke vil skabe spændende muligheder for at udforske nyt territorium inden for forskning i mørkt stof."

En ultrakold søgning 6, 800 fødder under jorden

Forskere ved, at synligt stof i universet kun udgør 15 procent af alt stof. Resten er et mystisk stof, kaldet mørkt stof. På grund af dens tyngdekrafts træk på almindeligt stof, mørkt stof er en vigtig drivkraft for udviklingen af ​​universet, påvirker dannelsen af ​​galakser som vores Mælkevej. Det er derfor grundlæggende for vores helt egen eksistens.

Men forskere har endnu ikke fundet ud af, hvad mørkt stof er lavet af. De mener, at det kan være sammensat af partikler af mørkt stof, og WIMPs er topkonkurrenter. Hvis disse partikler findes, de ville næppe interagere med deres miljø og flyve urørt gennem almindeligt stof. Imidlertid, en gang imellem, de kunne kollidere med et atom i vores synlige verden, og forskere i mørkt stof leder efter disse sjældne interaktioner.

I SuperCDMS SNOLAB-eksperimentet, søgningen udføres ved hjælp af silicium- og germaniumkrystaller, hvor kollisionerne ville udløse små vibrationer. Imidlertid, at måle de atomiske jiggles, krystallerne skal afkøles til mindre end minus 459,6 grader Fahrenheit - en brøkdel af en grad over absolut nul temperatur. Disse ultrakølede forhold giver eksperimentet sit navn:Cryogenic Dark Matter Search, eller CDMS. Præfikset "Super" angiver en øget følsomhed i forhold til tidligere versioner af eksperimentet.

Kollisionerne ville også producere par af elektroner og elektronmangler, der bevæger sig gennem krystallerne, udløser yderligere atomvibrationer, der forstærker signalet fra det mørke stofkollision. Eksperimentet vil være i stand til at måle disse "fingeraftryk" efterladt af mørkt stof med sofistikeret superledende elektronik.

Forsøget vil blive samlet og drevet på det canadiske laboratorium SNOLAB - 6, 800 fod under jorden inde i en nikkelmine nær byen Sudbury. Det er det dybeste underjordiske laboratorium i Nordamerika. Der vil det være beskyttet mod højenergipartikler, kaldet kosmisk stråling, som kan skabe uønskede baggrundsignaler.

"SNOLAB er glade for at byde SuperCDMS SNOLAB -samarbejdet velkommen til det underjordiske laboratorium, "sagde Kerry Loken, SNOLAB projektleder. "Vi ser frem til et godt partnerskab og til at støtte denne verdensledende videnskab."

I løbet af de seneste måneder, en detektorprototype er blevet testet med succes på SLAC. "Disse tests var en vigtig demonstration af, at vi er i stand til at bygge den egentlige detektor med høj nok energiopløsning, samt detektorelektronik med lav nok støj til at nå vores forskningsmål, " sagde KIPACs Paul Brink, der fører tilsyn med detektorfabrikationen i Stanford.

Sammen med syv andre samarbejdende institutioner, SLAC vil levere eksperimentets midtpunkt i fire detektortårne, hver indeholder seks krystaller i form af overdimensionerede hockeypucke. Det første tårn kunne sendes til SNOLAB inden udgangen af ​​2018.

"Detektortårnene er den mest teknologisk udfordrende del af forsøget, skubber grænserne for vores forståelse af lavtemperaturenheder og superledende aflæsning, sagde Bernard Sadoulet, en samarbejdspartner fra University of California, Berkeley.

Et stærkt samarbejde for ekstraordinær videnskab

Ud over SLAC, to andre nationale laboratorier er involveret i projektet. Fermi National Accelerator Laboratory arbejder på eksperimentets indviklede afskærmnings- og kryogeniske infrastruktur, og Pacific Northwest National Laboratory hjælper med at forstå baggrundssignaler i forsøget, en stor udfordring for påvisning af svage WIMP -signaler.

En række amerikanske og canadiske universiteter spiller også nøgleroller i eksperimentet, arbejde med opgaver lige fra detektorfremstilling og test til dataanalyse og simulering. Det største internationale bidrag kommer fra Canada og omfatter forskningsinfrastrukturen hos SNOLAB.

"Vi er så heldige at have et tæt sammensat netværk af stærke samarbejdspartnere, hvilket er afgørende for vores succes, "sagde KIPACs Blas Cabrera, der ledede projektet gennem CD-2/3-godkendelsesmilepælen. "Det samme gælder den fremragende støtte, vi modtager fra finansieringsbureauerne i USA og Canada."

Fermilabs Dan Bauer, talsmand for SuperCDMS -samarbejdet, sagde, "Sammen er vi nu klar til at bygge et eksperiment, der vil søge efter partikler af mørkt stof, der interagerer med normalt stof i en helt ny region."

SuperCDMS SNOLAB vil være den seneste i en række af stadig mere følsomme eksperimenter med mørkt stof. Den seneste version, placeret ved Soudan Mine i Minnesota, afsluttede driften i 2015.

"Projektet har indarbejdet erfaringer fra tidligere CDMS -eksperimenter for væsentligt at forbedre den eksperimentelle infrastruktur og detektordesign til eksperimentet, "sagde SLACs Ken Fouts, projektleder for SuperCDMS SNOLAB. "Kombinationen af ​​designforbedringer, den dybe placering og infrastrukturstøtten fra SNOLAB vil gøre det muligt for eksperimentet at nå sit fulde potentiale i søgen efter mørkt stof med lav masse."