Akryltanke giver et klart vindue til detektering af mørkt stof

Forskere har et nyt vindue i søgen efter mørkt stof-et akrylbeholder, der indeholder en gruppering af 12 fod høje transparente tanke med 1 tommer tykke vægge.

Tankene, som vil omgive en central detektor til et næsten kilometer-dybt eksperiment under opførelse i South Dakota kaldet LUX-ZEPLIN (LZ), vil blive fyldt med væske, der producerer bittesmå lysglimt i nogle partikelinteraktioner.

Forskere vil spore disse lysglimt med et dataindsamlingssystem og rekonstruere deres sandsynlige kilder. Ud over at holde væskescintillatoren, tankene vil også tjene som et skjold for nogle uønskede "støj" af partikler, der kan forstyrre andre, eftertragtede signaler, og som et veto -system - en slags løgnedetektor, der kan hjælpe forskere med at sortere falske opdagelser af mørkt stof fra en reel opdagelse.

Mørkt stof, som udgør en anslået 85 procent af alt stof i universet, har aldrig været set direkte, selvom forskere opdager dens tilstedeværelse gennem tyngdekraftseffekter. Stjernerne i spiralgalakser, for eksempel, er blevet observeret at bevæge sig rundt i midten med omtrent samme hastighed, selv ved meget forskellige afstande, som fortæller forskere, at der er noget andet i spil, der forårsager denne uventede effekt.

Selvom vi ikke ved, hvad mørkt stof består af, LZ -eksperimentet er designet til at jage efter en af ​​hovedmistænkte - en teoretisk partikel kendt som en WIMP, eller svagt interagerende massiv partikel.

Et internationalt samarbejde, involverer omkring 250 forskere, ingeniører, og teknikere fra 38 institutioner, arbejder på LZ. Det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) fører tilsyn med konstruktion og installation af LZ. LZ -eksperimentet forventes at begynde at tage data i 2020.

LZs akryltanke blev formet i segmenter for at passe ned i elevatorskakten ved Sanford Underground Research Facility (SURF), en tidligere guldmine i bly, South Dakota. LZ vil indtage en nyrenoveret hule ved SURF, der tidligere var hjemsted for sin mindre forgænger, LUX (Large Underground Xenon) eksperimentet.

LZ er designet til at være mindst 100 gange mere følsom over for mulige partikelsignaler i mørkt stof end LUX. Vetosystemet dannet af akryltankene og en tilhørende sekvens af lysfølende detektorer vil forbedre LZs evne til at udelukke signaler fra ikke-mørkt stof.

LZs fire største akryltanke, som er specialdesignede og udformede, mål 12,3 fod høj, 7,5 fod bred, og 3,4 fod tyk, og vejer 1, 500 pund pr. To ankom til SURF tidligere på måneden, og de to andre vil blive leveret inden for den næste måned. Seks mindre tanke - tre der sidder oven på hoveddetektoren og tre der vil ligge under den - ankommer inden årets udgang.

"Det ligner et kæmpe lyssværd skåret i kvarte fra toppen, sagde Harry Nelson, en fysiker i UC Santa Barbara, der fører tilsyn med akryltanks indsats for LZ. Nelson sammenligner kampvognene med et af mytiske lette sværd, der findes i science fiction-filmene "Star Wars". UC Santa Barbara har fungeret som teknisk leder for kampvognene, overvåge deres design, kommerciel fremstilling, test, og transport.

Forskere designede en særlig ramme til støtte og beskyttelse af kampvognene, der gør det muligt for arbejdere at manøvrere kampvognene gennem komplekset af tunneler til deres hvilested. En særlig rigning fastgjort til denne ramme vil blive brugt til at suspendere hver af de store tankkomponenter under elevatoren ved SURF til deres rejse under jorden. "Hvert segment vil blive hængt som et feriepynt fra bunden af ​​elevatoren, "Sagde Nelson.

Simon Fiorucci, en fysiker fra Berkeley Lab, der fører tilsyn med LZ -operationer på SURF, sagde, "Dette er den første instans af en betydelig LZ -detektorudstyrsinstallation i det underjordiske laboratorium. Det er en vigtig milepæl for projektet, og det lover meget godt for det travle år, der venter os. "

Andre fysiske eksperimenter har også brugt akryl til at holde tanke, Nelson bemærkede, herunder Sudbury Neutrino Observatoriets 12-fods sfæriske fartøj i Ontario, Canada.

I alt, de 10 tanke, der omgiver den cylindriske centrale detektor ved LZ, vil rumme omkring 17 tons væskescintillator kendt som lineær alkylbenzen, som er mere almindeligt brugt som ingrediens i vaskemidler og andre rengøringsmidler. Den centrale cylindriske detektor er bygget med ultrahøj ren titanium og indeholder 10 tons ultrarenset flydende xenon, et sjældent element, hvis atomer kan udsende lysudbrud i partikelinteraktioner.

"Nylige søgninger i mørkt stof har fundet ud af, at neutroner kan være en skadelig baggrund, med evnen til at efterligne et signal om mørkt stof, "sagde Carter Hall, LZ -talsmand og fysikprofessor ved University of Maryland. Neutroner er partikler uden ladning, der findes i atomkerner. "Akryltankene og deres væskescintillator nyttelast vil give et kraftigt neutronafvisnings signal, så LZ ikke bliver narret."

Som lag af et løg, akryltankene vil sidde tæt omkring den centrale LZ -detektor og vil selv være omgivet af en stor tank, der rummer omkring 60, 000 gallon (230 tons) ultrarent vand.

"Alt skal passe sammen inden for en kvart tommer tolerance, "sagde Sally Shaw, en postdoktor i UC Santa Barbara, der har arbejdet på at sikre, at kampvognene opfylder de strenge krav i LZ -eksperimentet.

Tankene blev hver renset indefra og ud inden afsendelse til SURF -stedet, bemærkede hun.

"Enhver radioaktivitet inde i tankene vil skabe lys, "sagde hun." Der er en procedure, der involverer at tørre dem af med opløsningsmidler. Derefter bruger vi deioniseret vand og specielt rengøringspulver, med nogen, der ligger inde i tankene. Det indebærer masser af skylning, og test af renheden af ​​det skyllede vand. Det er et stort arbejde. "

UC Santa Barbara -forskere arbejdede tæt sammen med tankens producent, Reynolds Polymer Technology i Grand Junction, Colo., at designe og konstruere de robuste rammer, der bruges til at beskytte tankene under transport. Rammerne var malet pink, Shaws yndlingsfarve, som anerkendelse for hendes mange bidrag til projektet.

LZ -forskere tog på mange ture til stedet for tankens fremstillingssted for at overvåge processen på forskellige stadier.

Efter at alle tankene er sænket til forskningsgrotten og ned i den tomme vandtank, hvor LZ vil blive installeret, de forbliver i beskyttende indpakning indtil de sidste faser af samlingen i slutningen af ​​2019.