Forskere bruger renset flydende xenon til at søge efter mystiske partikler af mørkt stof

Sidder en kilometer under jorden i en forladt guldmine i South Dakota er en gigantisk cylinder, der rummer 10 tons renset flydende xenon, nøje overvåget af mere end 250 videnskabsmænd rundt om i verden. Den tank af xenon er hjertet i LUX-ZEPLIN (LZ) eksperimentet, et forsøg på at opdage mørkt stof – det mystiske usynlige stof, der udgør 85 % af stoffet i universet.

"Folk har søgt efter mørkt stof i over 30 år, og ingen har haft en overbevisende påvisning endnu," sagde Dan Akerib, professor i partikelfysik og astrofysik ved Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Men med hjælp fra videnskabsmænd, ingeniører og forskere over hele kloden har Akerib og hans kolleger gjort LZ-eksperimentet til en af ​​de mest følsomme partikeldetektorer på planeten.

For at nå det punkt byggede SLAC-forskere på deres ekspertise i at arbejde med flydende ædelstoffer - de flydende former for ædelgasser som xenon - inklusive fremme af teknologierne, der bruges til at rense flydende ædelstoffer selv og systemerne til at detektere sjældne mørkt stof-interaktioner i disse væsker. Og, sagde Akerib, det, forskerne har lært, vil ikke kun hjælpe søgningen efter mørkt stof, men også andre eksperimenter, der leder efter sjældne partikelfysiske processer.

"Dette er virkelig dybe naturmysterier, og dette sammenløb af at forstå det meget store og det meget små på samme tid er meget spændende," sagde Akerib. "Det er muligt, at vi kunne lære noget helt nyt om naturen."

Leder efter mørkt stof dybt under jorden

En nuværende førende kandidat for mørkt stof er svagt interagerende massive partikler eller WIMP'er. Men som akronymet antyder, interagerer WIMP'er næsten ikke med almindeligt stof, hvilket gør dem meget vanskelige at opdage, på trods af at der teoretisk set er mange af dem, der går forbi os hele tiden.

For at håndtere den udfordring gik LZ-eksperimentet først dybt under jorden i den tidligere Homestake-guldmine, som nu er Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, South Dakota. Der er eksperimentet godt beskyttet mod det konstante bombardement af kosmiske stråler på Jordens overflade - en kilde til baggrundsstøj, der kan gøre det svært at udvælge svært at finde mørkt stof.

Selv da kræver det en følsom detektor at finde mørkt stof. Af den grund ser forskerne på ædelgasser, som også notorisk er tilbageholdende med at reagere med noget som helst. Det betyder, at der er meget få muligheder for, hvad der kan ske, når en mørk stofpartikel, eller WIMP, interagerer med atomet i en ædelgas, og derfor en mindre chance for, at forskere går glip af en interaktion, der allerede er svær at finde.

Men hvilken adelig? Som det viser sig, "er xenon en særlig god ædel til at detektere mørkt stof," sagde Akerib. Mørkt stof interagerer stærkest med kerner, og interaktionen bliver endnu stærkere med atomets atommasse, forklarede Akerib. For eksempel er xenon-atomer lidt mere end tre gange så tunge som argon-atomer, men de forventes at have interaktioner med mørkt stof, der er mere end ti gange så stærke.

En anden fordel:"Når du renser andre forurenende stoffer ud af det flydende xenon, vil det være meget radiostøjsvagt i sig selv," sagde Akerib. Med andre ord er det usandsynligt, at det naturlige radioaktive henfald af xenon kommer i vejen for at detektere interaktionerne mellem WIMP'er og xenonatomer.

Bare xenon, tak

Tricket, sagde Akerib, er at få ren xenon, uden hvilken alle fordelene ved ædelgassen er omstridte. Men rensede ædelgasser er ikke let tilgængelige - det faktum, at de ikke interagerer med meget af noget, betyder også, at de generelt er ret svære at adskille fra hinanden. Og "desværre kan du ikke bare købe en renser fra hylden, der vil rense ædelgasser," sagde Akerib.

Akerib og hans kolleger hos SLAC måtte derfor finde ud af en måde at rense alt det flydende xenon, de havde brug for til detektoren.

Den største forurening i xenon er krypton, som er den næstletteste ædelgas og har en radioaktiv isotop, som kan maskere de interaktioner, forskerne rent faktisk leder efter. For at forhindre krypton i at blive partikeldetektorens kryptonit brugte Akerib og hans kolleger flere år på at perfektionere en xenon-rensningsteknik ved hjælp af det, der kaldes gaskulkromatografi. Den grundlæggende idé er at adskille ingredienser i en blanding baseret på deres kemiske egenskaber, da blandingen føres gennem en form for medium. Gaskulkromatografi bruger helium som bæregas for blandingen og trækul som separationsmedium.

"Du kan tænke på helium som en jævn brise gennem kullet," forklarede Akerib. "Hvert xenon- og kryptonatom tilbringer en brøkdel af tiden fast på kullet og noget tid fast. Når atomerne er i en ikke-fastsiddende tilstand, fejer heliumbrisen dem ned i søjlen." Ædelgasatomer er mindre klæbrige, jo mindre de er, hvilket betyder, at krypton er noget mindre klistret end xenon, så det bliver fejet væk af den ikke-klæbende helium-"brise", og adskiller dermed xenon fra krypton. Forskerne kunne derefter fange krypton og smide det væk og derefter genvinde xenon, sagde Akerib. "Vi gjorde det for noget i retning af 200 cylindre xenongas - det var en ret stor kampagne."

LZ-eksperimentet er ikke det første eksperiment SLAC har været involveret i et forsøg på at søge efter ny fysik med xenon. Det berigede Xenon Observatory-eksperiment (EXO-200), som løb fra 2011 til 2018, isolerede en specifik xenonisotop for at søge efter en proces kaldet neutrinoløs dobbelt beta-henfald. Resultater fra eksperimentet antydede, at processen er ufattelig sjælden, men en ny foreslået søgning kaldet Next EXO (nEXO) vil fortsætte søgningen ved hjælp af en detektor, der ligner LZ's.

A different sort of electrical grid

No matter what liquid noble fills the detector, a sophisticated detection system is crucial if scientists ever hope to find something like dark matter. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Udforsk yderligere

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector