Globalt team af forskere er færdige med at samle næste generations detektor for mørkt stof

Nøglekomponenten i LUX-ZEPLIN-eksperimentet er klar til at blive forseglet og sænket næsten 1,5 km under jorden, hvor den vil søge efter mørkt stof.

Mørkt stof er en mystisk form for stof, der menes at udgøre omkring 85 procent af universets masse. Imidlertid, fordi det forudsiges kun at interagere meget svagt med almindeligt stof, det er hidtil ikke blevet opdaget.

LUX-ZEPLIN (LZ) vil være det mest følsomme mørke stofeksperiment, der nogensinde er bygget. Den 26. juli, forskere færdige med at samle sit midtpunkt, det flydende xenon Time Projection Chamber (TPC), ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota, OS..

"Denne xenon -detektor vil være kernen i LZ -eksperimentet med mørkt stof, "sagde professor Henrique Araújo, fra Institut for Fysik ved Imperial College London, som leder LZ-samarbejdsindsatsen i Storbritannien og ledede udviklingen af ​​TPC med professor Tom Shutt fra SLAC National Accelerator Laboratory.

13, 500 timers indsats

For at samle TPC, 250 medlemmer fra 37 institutioner fra hele verden kom sammen for at sikre den mekaniske, optisk, elektrisk, radiologiske og renlighedskrav til projektet blev opfyldt.

Fremstilling af titusinder af komponenter, der udgør TPC, startede i 2015, og montering af instrumentet begyndte i december 2018. Integrationsfasen involverede 13, 500 timers indsats-hvoraf en betydelig brøkdel var afsat til at opretholde de krævede ultrarene forhold på montagelaboratoriet på overfladeniveau.

Næste, det vil blive indsat i dets kryostatbeholder - et kammer, der holder kolde temperaturer - og sænket næsten 1,5 km under jorden i en nedlagt guldgrube, klar til forhåbentlig at opdage mørkt stof. Operationer er planlagt til at starte i midten af ​​2020.

"Vi har nogle ting tilfælles med et rumprogram, "sagde professor Araújo." Inden du starter, du udfører alt dit arbejde på jorden i årevis, perfektionere konstruktionen, så dit instrument fungerer uanset hvad. LZ ligner lidt et rumforsøg, gik bare den modsatte retning. Vi kan ikke udsætte den for underjordisk luft - det ville kompromittere dens ydeevne. Når du har installeret det under jorden, det er det. Det skal fungere. "

Registrering af WIMP'er

Når under jorden, detektoren afkøles til -100 ° C og fyldes med ti tons flydende xenon. Fordi xenon er et tungt element, der er en større chance for at xenonatomer interagerer med hypotetiske partikler i mørkt stof kaldet WIMP’er - svagt interagerende massive partikler.

Forskere mener, at hvis en WIMP interagerer med et xenonatom, det vil producere to lysglimt. Den ene vises straks, når partiklen kolliderer med et xenonatom, som rykker gennem væsken. Den anden genereres af elektroner rystet af kollisionen, som ledes til toppen af ​​detektoren og accelereres gennem et lag af gasformigt xenon over væsken.

Selvom disse blink ville være umærkelige for det menneskelige øje, detektoren er foret med hundredvis af fotomultiplikatorrør. Disse ultrafølsomme sensorer kan forstærke et signal fra selv en enkelt foton af lys.

Årtiers udvikling

TPC -designet anvendt af LZ er blevet perfektioneret gennem årtiers eksperimenter med lignende detektorer, der gør det muligt for forskere at bestemme, hvor en interaktion sker, og om det sandsynligvis skyldes en baggrundsinteraktion i instrumentet eller et ægte mørkt stofsignal. Blandt disse var ZEPLIN-III-eksperimentet ved Boulby Mine i North Yorkshire, ledet af Imperial, og det USA-ledede LUX-eksperiment-som gav anledning til LZ.

At blive begravet dybt under jorden beskytter eksperimentet fra for mange baggrundsinteraktioner fra processer, der let kan detekteres på overfladen, og som kan tilsløre et signal om mørkt stof, såsom de kosmiske stråler, der bruser Jorden ud af det ydre rum.

Professor Shutt sagde:"TPC er et komplekst system, og det er en stor bedrift at få det samlet. Det tager os et vigtigt skridt tættere på at kunne lede efter mørkt stof.

"Det er også glædeligt, fordi det involverede at samle et stort antal undersystemer designet og bygget af grupper i hele USA og Storbritannien over en årrække. Så, det er en slags sammenkomst for samarbejdet. "