Mørke stofeksperimenter Den centrale komponent tager et dybt dyk - næsten en kilometer under jorden

Q:Hvordan får du en 5, 000 pund, 9 fod høj partikeldetektor, designet til at jage efter mørkt stof, næsten en kilometer under jorden?

A:Meget omhyggeligt.

Sidste uge, besætninger ved Sanford Underground Research Facility (SURF) i South Dakota spændte den centrale komponent i LUX-ZEPLIN (LZ)-det største eksperiment med direkte påvisning af mørkt stof i USA-under en elevator, og s-l-o-w-l-y sænkede den 4, 850 fod ned ad en aksel, der tidligere blev brugt i guldminedrift.

Denne sidste rejse for LZ's centrale detektor den 21. oktober til dens hvilested i en specialbygget forskningshule krævede omfattende planlægning og involverede to testbevægelser af en "dummy" -detektor for at sikre sikker levering.

"Dette var det mest udfordrende træk i et detektorsystem, jeg nogensinde har gjort i årtiers arbejde med eksperimenter, "sagde Jeff Cherwinka, chefingeniør fra LZ fra University of Wisconsin, der ledede planlægningsindsatsen for flytningen sammen med SURF -ingeniører og anden support.

Jake Davis, en SURF -maskiningeniør, der arbejdede på kryostatbevægelsen, sagde, "Mellem enhedens størrelse, rummets grænser, og de mange grupper, der er involveret i flytningen, hele processen krævede streng opmærksomhed på både designet og planlægningen. Inden rigning af detektoren under buret, Vi testede med andre kraner for at se, hvordan den ville reagere, når den blev suspenderet. Vi gennemførte også analyse og test for at sikre, at det ville forblive pænt og lige i skaftet. "

Han tilføjede, "Turen var langsom, omkring 100 fod i minuttet. Turen til de 4, 850 fods niveau tager typisk 13-15 minutter. I dag, det tog tæt på 45 minutter. Jeg red i buret, ser det gennem en inspektionsport i gulvet. Der var et stort suk efter lettelsen, men der er stadig meget arbejde foran at afslutte LZ. "

Theresa Fruth, en postdoktor ved University College London, der arbejder på LZs centrale detektor, sagde, at det var højt prioriteret at holde LZ godt forseglet fra eventuelle forurenende stoffer under sin rejse-selv de mindste spor af støv og snavs kunne i sidste ende påvirke dets målinger.

"Set fra et videnskabeligt perspektiv, vi ville have detektoren til at komme ned præcis som den var på overfladen, "sagde hun." Den strukturelle integritet er utrolig vigtig, men det er renligheden også, fordi vi har bygget denne detektor i 10 måneder i et rent rum. Inden flytningen, detektoren blev sækket to gange, derefter indsat i transportørstrukturen. Derefter, transportøren blev pakket ind med endnu et lag stærk plastik. Vi skal også flytte alt vores udstyr under jorden, så vi kan udføre resten af ​​installationsarbejdet under jorden. "

Den centrale detektor, kendt som LZ kryostat og tidsprojektionskammer, vil i sidste ende blive fyldt med 10 tons flydende xenon, der vil blive afkølet til minus 148 grader Fahrenheit. Forskere håber at se signaler om mørke stofpartikler, der produceres, når de interagerer med de tunge xenonatomer i denne kryostat.

Den flydende form af xenon, et meget sjældent element, er så tæt, at en klump granit kan flyde oven på dens overflade. Det er denne tæthed, på grund af xenons tunge atomvægt, det gør den til en god kandidat til at fange partikelinteraktioner.

Kryostaten er en stor tank, samlet af ultrarent titanium, er omkring 5,5 fod i diameter. Den indeholder systemer med i alt 625 fotomultiplikatorrør, der er placeret øverst og nederst (se en relateret artikel). Disse rør er designet til at fange lysglimt produceret i partikelinteraktioner.

Pawel Majewski fra Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, der ledte designet, fremstilling, rengøring, og levering af LZs indre kryostatbeholder til Det Forenede Kongeriges Science and Technology Facilities Council, sagde, "Nu er det yderst glædeligt at se det ... holde eksperimentets hjerte og hvile på sin sidste plads på Davis Campus, en kilometer under jorden. "

LZ er designet til at jage efter teoretiserede partikler i mørkt stof kaldet WIMP'er, eller svagt interagerende massive partikler. Mørkt stof udgør omkring 27 procent af universet, selvom vi endnu ikke ved, hvad det er lavet af og kun har opdaget det gennem dets tyngdekraftseffekter på normalt stof.

Det er 100 gange mere følsomt end sit forgængereksperiment, kaldet LUX, som opererede i det samme underjordiske rum. Placering af LZ dybt under jorden tjener til at beskytte den mod meget af det stadige bombardement af partikler, der er til stede på jordens overflade.

LZs kryostat vil være omgivet af en tank fyldt med en væske kendt som en scintillator, der også vil blive udstyret med en række fotomultiplikatorrør og er designet til at hjælpe med at luge falske signaler fra uønsket partikel "støj" ud. Og kryostaten og scintillatortanken vil blive integreret i en stor vandtank, der giver et yderligere bufferlag fra uønskede partikelsignaler.

Mens LUXs hoveddetektor var lille nok til at passe ind i SURF -elevatoren, LZs kryostat passer smalt ind i elevatorskakten.

Det blev først flyttet uden for et rent rum på overfladeniveau, hentet med en gaffeltruck, og føres på plads under elevatorburet. Det blev derefter fastgjort til undersiden af ​​buret med slynger og stropper, hvor den langsomt blev flyttet ned til niveauet i Davis Cavern, sit sidste hvilested.

Når den var løsrevet fra elevatorburet, den blev flyttet ved hjælp af luftskøjter på en midlertidigt samlet overflade - svarende til hvordan en airhockey -puck bevæger sig hen over bordets overflade. På grund af kryostatens størrelse, besætninger måtte først midlertidigt fjerne underjordisk kanalarbejde for at tillade flytningen.

Murdock "Gil" Gilchriese, LZ -projektdirektør og fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), sagde, "Næste, kryostaten vil være pakket med flere lag isolering, og et par andre udvendige komponenter vil blive installeret. "Berkeley Lab er den ledende institution for LZ -projektet.

"Så vil det blive sænket ned i det ydre kryostatbeholder, "tilføjede han." Det vil tage måneder at tilslutte og tjekke alle kablerne og gøre alt vakuumtæt. "Det meste af LZ-arbejdet er nu koncentreret under jorden, han sagde, med flere arbejdsskift planlagt til at fuldføre LZ -samling og installation.

Der er planer om at begynde at teste processen med at flydende xenongas til LZ i november ved hjælp af en mock kryostat, og at fylde den faktiske kryostat med xenon i foråret 2020. Projektafslutning kan komme så snart som juli 2020, Sagde Gilchriese.