Massiv ny detektor for mørkt stof får øjnene op

LUX-ZEPLIN (LZ) detektoren for mørkt stof, som snart vil starte sin søgning efter de undvigende partikler, der menes at stå for et flertal af materie i universet, fik sit første sæt "øjne" leveret torsdag.

Det første af to store arrays af fotomultiplikatorrør (PMT'er) - kraftfulde lyssensorer, der kan registrere de svageste blink - gennemførte en 2, 000-mile rejse med lastbil fra Rhode Island til Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, South Dakota, hvor LZ er planlagt til at begynde sin søgning efter mørkt stof i 2020.

Det andet array kommer i januar. Når LZ -detektoren er færdig og tændt, PMT-arrays vil holde nøje øje med LZ's 10-tons tank med flydende xenon, på udkig efter fortælle-tvillingens lysglimt, der fremkommer, hvis en partikel af mørkt stof støder ind i et xenonatom inde i tanken.

Et team af forskere og teknikere fra Brown University har brugt det sidste halve år omhyggeligt på at samle de to arrays, hver cirka 5 fod i diameter og rummer i alt 494 PMT'er.

"Leveringen af ​​disse arrays er toppen af ​​en enorm forsamlingsindsats, som vi har været nødt til at udføre her i vores clean room, "sagde Rick Gaitskell, en professor i fysik ved Brown University, der havde tilsyn med konstruktionen af ​​arrays. "De sidste to år har Vi har sørget for, at hvert stykke, der går ind i enhederne, fungerer som forventet. Kun ved at gøre det kan vi være sikre på, at alt vil fungere, som vi vil, når detektoren tændes. "

Brown -teamet har arbejdet med forskere og ingeniører fra US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og fra Imperial College London for at designe, skaffe, prøve, og saml alle komponenterne i matrixen. Test af PMT'er, som er fremstillet af Hamamatsu Corp. i Japan, blev udført på Brown og på Imperial College.

"Leveringen af ​​den første række PMT'er til LZ til SURF er en kritisk milepæl for LZ -projektet, "sagde Murdock" Gil "Gilchriese fra Berkeley Lab, hvem er LZ -projektdirektør.

Som forberedelse til ankomsten af ​​PMT -arrays, forskere ved SURF havde allerede arbejdet med prototype -arrays for at øve tilslutning af PMT'erne til en kompleks sekvens af kabler. Selve samlingen af ​​disse kabler til PMT'erne finder sted i et rent rum på SURF.

Ingen ved præcis, hvad mørkt stof er. Forskere kan se virkningerne af dens tyngdekraft i rotation af galakser og i måden lyset bøjer på, når det bevæger sig over universet, men ingen har direkte opdaget en partikel af mørkt stof. Den førende teoretiske kandidat til en partikel i mørkt stof er WIMP, eller svagt interagerende massiv partikel. WIMP'er kan ikke ses, fordi de ikke absorberer, udsende, eller reflekterer lys. Og de interagerer kun med normalt stof i meget sjældne tilfælde, derfor er de så svære at opdage, selv når millioner af dem kan rejse gennem Jorden hvert sekund.

LZ -eksperimentet, et samarbejde mellem mere end 250 forskere fra 38 institutioner verden over, sigter mod at fange en af ​​de flygtigt sjældne WIMP -interaktioner, og derved karakterisere partiklerne, der menes at udgøre mere end 80 procent af sagen i universet. Detektoren vil være den mest følsomme, der nogensinde er bygget:100 gange mere følsom end LUX -detektoren, som afsluttede sin søgning efter mørkt stof på SURF i 2016.

PMT -arrays er en kritisk del af eksperimentet. Hver PMT er en 6 tommer lang cylinder, der er omtrent diameteren på en sodavand. For at danne arrays, der er store nok til at overvåge hele LZ xenon -målet, hundredvis af PMT'er samles i en cirkulær titaniummatrix. Arrayen, der vil sidde oven på xenon -målet, har 253 PMT'er, mens det nederste array har 241.

PMT'er er designet til at forstærke svage lyssignaler. Når enkelte fotoner (lyspartikler) kommer ind i en PMT, de rammer en fotokatode. Hvis fotonet har tilstrækkelig energi, det får fotokatoden til at skubbe en eller flere elektroner ud. Disse elektroner rammer derefter en elektrode, som skubber flere elektroner ud. Ved at kaskade gennem en række elektroder forstærkes det originale signal med over en faktor på 1 million for at skabe et detekterbart signal.

LZ's PMT -arrays har brug for al den følsomhed for at fange de blink, der er forbundet med en WIMP -interaktion.

"Vi kunne være på udkig efter begivenheder, der udsender så få som 20 fotoner i en enorm tank indeholdende 10 tons xenon, hvilket er noget, det menneskelige visuelle system ikke ville være i stand til at gøre, "Sagde Gaitskell." Men det er noget, disse arrays kan gøre, og vi får brug for dem til at gøre det for at se signalet fra sjældne partikelhændelser. "

Fotonerne er produceret af det, der er kendt som en nuklear rekylhændelse, som producerer to forskellige blink. Den første kommer i øjeblikket, hvor en WIMP støder ind i en xenonkerne. Sekundet, som kommer et par hundrede mikrosekunder bagefter, fremstilles af ricochet af det xenonatom, der blev ramt. Det hopper ind i atomerne omkring det, som slår et par elektroner fri. Elektronerne drives derefter af et elektrisk felt til toppen af ​​tanken, hvor de når et tyndt lag xenongas, der omdanner dem til lys.

For at de små blink kan skelnes fra uønskede baggrundshændelser, detektoren skal beskyttes mod kosmiske stråler og andre former for stråling, som også får flydende xenon til at lyse. Derfor finder eksperimentet sted under jorden på SURF, en tidligere guldmine, hvor detektoren vil blive afskærmet med omkring en kilometer sten for at begrænse interferens.

Behovet for at begrænse interferens er også årsagen til, at Brown University -teamet var besat af renlighed, mens de samlede arrays. Holdets største fjende var almindeligt gammelt støv.

"Når du har at gøre med et instrument, der er lige så følsomt som LZ, pludselig bliver ting, du normalt ikke ville bekymre dig om, før de blev meget alvorlige, "sagde Casey Rhyne, en Brown University -kandidatstuderende, der havde en ledende rolle i opbygningen af ​​arrays. "En af de største udfordringer, vi måtte konfrontere, var at minimere omgivende støvniveauer under samling."

Hver støvpartikel indeholder en lille mængde radioaktivt uran- og thoriumforfald. Strålingen er forsvindende lille og udgør ingen trussel mod mennesker, men for mange af disse pletter inde i LZ -detektoren kan være nok til at forstyrre et WIMP -signal.

Faktisk, støvbudgettet til LZ-eksperimentet kræver, at der ikke er mere end et gram støv i hele 10-tons instrumentet. På grund af alle deres kroge og kroge, PMT -arrays kan være betydelige støvopsamlere, hvis der ikke blev gjort ondt for at holde dem rene under hele konstruktionen.

Brown University -teamet udførte det meste af sit arbejde i et renrum "klasse 1000", som ikke tillader mere end 1, 000 mikroskopiske støvpartikler pr. Kubikfod plads. Og inden for det rene rum var et endnu mere uberørt rum, som teamet kaldte "PALACE (PMT Array Lifting and Commissioning Enclosure)." PALACE var i det væsentlige et ultraclean rum, hvor meget af den faktiske array -samling fandt sted. PALACE var et "klasse 10" rum - der tillod ikke mere end 10 støvpartikler større end 1 hundrededel af et menneskehårs bredde pr. Kubikfod.

Men strålingsproblemerne stoppede ikke ved støv. Inden samlingen af ​​arrays begyndte, teamet forscreenede hver del af hvert PMT -rør for at vurdere strålingsniveauer.

"Vi fik Hamamatsu til at sende os alle de materialer, de skulle bruge til PMT -konstruktionen, og vi lagde dem i en underjordisk germaniumdetektor, "sagde Samuel Chan, en kandidatstuderende og PMT system teamleder. "Denne detektor er meget god til at detektere den stråling, som byggematerialerne udsender. Hvis de iboende strålingsniveauer var lave nok i disse materialer, så fortalte vi Hamamatsu at fortsætte og bruge dem til fremstilling af disse PMT'er. "

Teamet håber, at alt det arbejde, de har lagt ned i løbet af de sidste seks måneder, vil give udbytte, når LZ starter sin WIMP -søgning.

"At få alt lige nu vil have en enorm indvirkning på mindre end to år fra nu, når vi tænder den færdige detektor, og vi tager data, "Gaitskell sagde." Vi vil direkte kunne se på disse data, hvor godt et job vi og andre mennesker har udført. "

I betragtning af den store stigning i mørk stofsøgningsfølsomhed, som LZ -detektoren kan levere i forhold til alle tidligere eksperimenter, teamet håber, at denne detektor endelig vil identificere og karakterisere det store hav af ting, der omgiver os alle. Indtil nu, de mørke ting har været vanvittigt undvigende.