Forskere sammensætter det største amerikanske eksperiment i mørkt stof

De fleste af de resterende komponenter, der var nødvendige for fuldt ud at samle et underjordisk eksperiment i mørkt stofsøgning kaldet LUX-ZEPLIN (LZ), ankom til projektets hjem i South Dakota under et rush af leverancer i juni.

Når den er færdig, LZ bliver den største, mest følsomme amerikansk-baserede eksperiment endnu, der er designet til direkte at detektere partikler af mørkt stof. Forskere rundt om i verden har i årtier forsøgt at løse mysteriet om mørkt stof, som udgør omkring 85 procent af alt stof i universet, selvom vi hidtil kun har opdaget det indirekte gennem observerede tyngdekraftseffekter.

Hovedparten af ​​de digitale komponenter til LZ's elektroniksystem, som er designet til at transmittere og registrere signaler fra stadig små partikelinteraktioner i LZs kernedetektorfartøj, var blandt de nyankomne på Sanford Underground Research Facility (SURF). SURF, stedet for en tidligere guldmine nu dedikeret til et bredt spektrum af videnskabelig forskning, var også hjemsted for et forgængers søgeeksperiment kaldet LUX.

Et sidste sæt stramt passende akrylbeholdere, som vil blive fyldt med en speciel væske designet til at identificere falske mørke materiesignaler i LZs indre detektor, ankom også til SURF i juni.

Også, de to sidste af fire indviklede vævede trådnet, der er afgørende for at opretholde et konstant elektrisk felt og udtrække signaler fra eksperimentets indre detektor, også kaldet tidsprojektionskammeret, ankom i juni (se relateret artikel).

"LZ nåede store milepæle i juni. Det var den travleste enkelte måned for at levere ting til SURF - det var toppen, "sagde LZ -projektdirektør Murdock Gilchriese fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Berkeley Lab er den ledende institution for LZ -projektet, som understøttes af et internationalt samarbejde, der har omkring 37 deltagende institutioner og omkring 250 forskere og teknisk support besætningsmedlemmer.

"Et par måneder fra nu vil alle handlinger på LZ være på SURF - vi er allerede tæt på at have alt der, "Sagde Gilchriese.

Mike Headley, administrerende direktør hos SURF, sagde, "Vi har forberedt kollektivt på disse leverancer i nogen tid, og alt er gået meget godt. Det har været spændende at se eksperimentmonteringsarbejdet skride frem, og vi ser frem til at sænke den samlede detektor en kilometer under jorden til installation."

Alle disse komponenter vil blive transporteret ned ad et skaft og installeret i en næsten kilometer dyb forskningshule. Stenen ovenfor giver et naturligt skjold mod meget af det konstante bombardement af partikler, der regner ned på planetens overflade, og som producerer uønsket "støj".

LZ -komponenter er også omhyggeligt testet og valgt for at sikre, at de materialer, de er lavet af, ikke selv forstyrrer partikelsignaler, som forskere forsøger at drille ud.

LZ er især fokuseret på at finde en type teoretisk partikel kaldet en svagt interagerende massiv partikel eller WIMP ved at udløse en unik sekvens af lys og elektriske signaler i en tank fyldt med 10 tons stærkt renset flydende xenon, som er blandt Jordens sjældneste grundstoffer. Egenskaberne ved xenonatomer giver dem mulighed for at producere lys i visse partikelinteraktioner.

Bevis for partikler i mørkt stof ville fundamentalt ændre vores forståelse af universets sammensætning, da vores nuværende standardmodel for fysik ikke redegør for deres eksistens.

Samlingen af ​​det flydende xenon -tidsprojektionskammer til LZ er nu omkring 80 procent fuldført, Sagde Gilchriese. Når den er fuldstændig samlet senere på måneden, vil denne indre detektor indeholde omkring 500 fotomultiplikatorrør. Rørene er designet til at forstærke og transmittere signaler produceret i kammeret.

Når den er samlet, tidsprojektionskammeret sænkes omhyggeligt til et tilpasset titaniumfartøj allerede ved SURF. Inden den er fyldt med xenon, dette kammer vil blive sænket til en dybde på ca. 4, 850 fod. Det vil blive båret i en ramme, der er specielt designet til at minimere vibrationer, og flød derefter ind i den eksperimentelle hule over en midlertidigt samlet metalbane på luftpumpede pucke kendt som luftskøjter.

Endelig, det vil blive sænket ned i et større ydre titaniumkar, allerede under jorden, for at danne den sidste vakuumisolerede kryostat, der er nødvendig for at huse det flydende xenon.

Den dagslange rejse, planlagt i september, vil være en neglebidende oplevelse for hele projektteamet, bemærkede Berkeley Labs Simon Fiorucci, LZ stedfortrædende projektleder.

"Det vil helt sikkert være det mest stressende - det er det, der virkelig ikke kan fejle. Når vi er færdige med dette, meget af vores risiko forsvinder, og meget af vores planlægning bliver lettere, " han sagde, tilføjer, "Dette vil være den største milepæl, der er tilbage udover at have flydende xenon i detektoren."

Projektbesætninger vil snart begynde at teste xenon -cirkulationssystemet, allerede installeret under jorden, der løbende vil cirkulere xenon gennem den indre detektor, rense det yderligere, og relikificere det. Fiorucci sagde, at forskere vil bruge omkring 250 kilo xenon til disse tidlige tests.

Arbejdet er også ved at være afsluttet med LZ's kryogene kølesystem, der er nødvendigt for at konvertere xenongas til sin flydende form.

LZ digital elektronik, som i sidste ende vil forbinde til arrayerne i fotomultiplikatorrør og muliggøre aflæsning af signaler fra partikelinteraktioner, blev designet, udviklede sig, leveret, og installeret af University of Rochester forskere og teknisk personale ved SURF i juni.

"Al vores elektronik er designet specielt til LZ med det formål at maksimere vores følsomhed for de mindst mulige signaler, "sagde Frank Wolfs, en professor i fysik og astronomi ved University of Rochester, der overvåger universitetets indsats.

Han bemærkede, at mere end 28 miles koaksialkabel vil forbinde fotomultiplikatorrørene og deres forstærkerelektronik - som er under test på UC Davis - til digitaliseringselektronikken. "Den vellykkede installation af digital elektronik og online -netværk og computerinfrastruktur i juni gør os ivrige efter at se de første signaler komme fra LZ, "Tilføjede Ulve.

Også i juni, LZ-deltagere udøvede højhastighedsdataforbindelser fra eksperimentets sted til overfladeniveau ved SURF og derefter til Berkeley Lab. Data fanget af detektorernes elektronik vil i sidste ende blive overført til LZs primære datacenter, National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) på Berkeley Lab via Energy Sciences Network (ESnet), et landsdækkende højhastighedsdatanetværk baseret på Berkeley Lab.

Produktionen af ​​de tilpassede akryltanke (se relateret artikel), som vil indeholde en væske kendt som en væskescintillator, blev overvåget af LZ -deltagere ved University of California, Santa Barbara.

"De sidste fem tanke, leveret i juni, blev fremstillet ved hjælp af en ny akrylstøbningsproces for tæt at passe rundt om kryostatbeholderen, sagde Harry Nelson, professor i fysik ved UC Santa Barbara.

"Partnerskabet mellem LZ og SURF er enormt, som det fremgår af succesen med samlingsarbejdet til dato, "Headley sagde." Vi er stolte over at være en del af LZ-teamet og være vært for dette verdensførende eksperiment i South Dakota. "