¡Éxito! Primeros resultados del detector de materia oscura más sensible del mundo

Los investigadores de Berkeley Lab registran la puesta en marcha exitosa del detector de materia oscura LUX-ZEPLIN en el Centro de Investigación Subterráneo de Sanford

Detector de materia oscura innovador y excepcionalmente sensible Zepelín de lujo Experimento (LZ): pasó la fase de inicio de sesión y proporcionó los primeros resultados. LZ está ubicado en lo profundo de Black Hills de Dakota del Sur en Instalación de investigación subterránea de Sanford (SURF) y está dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley).

«Estamos listos y todo se ve bien», dijo Kevin Lesko, físico jefe de Berkeley Lab y ex vocero de LZ. “Es un detector complejo con muchas partes y todas funcionan bien dentro de las expectativas”, dijo.

En un artículo publicado el 7 de julio sobre el experimento sitio webLos científicos de LZ informan que con la operación inicial, LZ ya se ha convertido en el detector de materia oscura más sensible del mundo. El documento aparecerá en el archivo de preimpresión en línea arXiv.org en una fecha posterior. El portavoz de LZ, Hugh Lippincott, de la Universidad de California, Santa Bárbara, dijo: «Planeamos recopilar unas 20 veces más datos en los próximos años, por lo que apenas estamos comenzando. Hay mucha ciencia por hacer, lo cual es muy emocionante». !»

Investigue el detector exterior LZ, que se utiliza para rechazar la radiactividad que podría imitar una señal de materia oscura. Crédito: Matthew Capost/Instalación subterránea de investigación de Sanford

Tiempo materia oscura Las partículas en realidad no se detectan, es posible que no sean ciertas por mucho más tiempo. Es posible que la cuenta regresiva ya haya comenzado con los resultados de los primeros 60 días «en vivo» de pruebas para LZ. Estos datos se recopilaron durante tres meses y medio de operaciones iniciales a partir de fines de diciembre. Esto fue lo suficientemente largo para asegurarse de que todos los lados del detector funcionaran correctamente.

Aunque es invisible, porque no emite, absorbe ni dispersa la luz, la existencia de la materia oscura y la atracción gravitatoria son fundamentales para nuestra comprensión del universo. Por ejemplo, la presencia de materia oscura, que se estima en alrededor del 85 por ciento de la masa total del universo, determina la forma y el movimiento de las galaxias, y los investigadores la citan para explicar lo que se sabe sobre la estructura a gran escala. y expandir el universo.

Dos tanques de titanio anidados llenos con diez toneladas de xenón líquido ultrapuro se pueden ver mediante dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT) capaces de detectar fuentes de luz tenue desde el núcleo del detector de materia oscura LZ. Los tanques de titanio están ubicados en un sistema detector más grande para capturar partículas que pueden imitar una señal de materia oscura.

Esquema del detector LZ. Crédito: LZ تعاون Colaboración

«Estoy encantada de ver este detector complejo listo para abordar el problema de larga data de de qué está hecha la materia oscura», dijo Natalie Palanque Delabruille, directora del Departamento de Física de Berkeley Lab. «¡El equipo LZ ahora tiene la herramienta más ambiciosa para hacer esto!»

Las fases de diseño, fabricación e instalación del detector LUX-ZEPLIN fueron dirigidas por Gil Gilchriese, gerente de proyectos de Berkeley Lab, junto con un equipo internacional de 250 científicos e ingenieros de más de 35 instituciones en EE. UU., Reino Unido, Portugal y Corea del Sur. El director de operaciones de LZ es Simon Fiorucci de Berkeley Lab. Juntos, esperan usar el instrumento para registrar la primera evidencia directa de materia oscura, o la llamada masa faltante en el universo.

Henrique Araújo, de[{» attribute=»»>Imperial College London, leads the UK groups and previously the last phase of the UK-based ZEPLIN-III program. He worked very closely with the Berkeley team and other colleagues to integrate the international contributions. “We started out with two groups with different outlooks and ended up with a highly tuned orchestra working seamlessly together to deliver a great experiment,” Araújo said.

An underground detector

Tucked away about a mile underground at SURF in Lead, South Dakota, LUX-ZEPLIN is designed to capture dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs). The experiment is underground to protect it from cosmic radiation at the surface that could drown out dark matter signals.

Particle collisions in the xenon produce visible scintillation or flashes of light, which are recorded by the PMTs, explained Aaron Manalaysay from Berkeley Lab who, as physics coordinator, led the collaboration’s efforts to produce these first physics results. “The collaboration worked well together to calibrate and to understand the detector response,” Manalaysay said. “Considering we just turned it on a few months ago and during COVID restrictions, it is impressive we have such significant results already.”

When a WIMP – a hypothetical dark matter particle – collides with a xenon atom, the xenon atom emits a flash of light (gold) and electrons. The flash of light is detected at the top and bottom of the liquid xenon chamber. An electric field pushes the electrons to the top of the chamber, where they generate a second flash of light (red). LZ will be searching for a particular sequence of flashes that cannot be due to anything other than WIMPs. Credit: LZ/SLAC

The collisions will also knock electrons off xenon atoms, sending them to drift to the top of the chamber under an applied electric field where they produce another flash permitting spatial event reconstruction. The characteristics of the scintillation help determine the types of particles interacting in the xenon.

The South Dakota Science and Technology Authority, which manages SURF through a cooperative agreement with the U.S. Department of Energy, secured 80 percent of the xenon in LZ. Funding came from the South Dakota Governor’s office, the South Dakota Community Foundation, the South Dakota State University Foundation, and the University of South Dakota Foundation.

Mike Headley, executive director of SURF Lab, said, “The entire SURF team congratulates the LZ Collaboration in reaching this major milestone. The LZ team has been a wonderful partner and we’re proud to host them at SURF.”

Chemists at Brookhaven Lab used this custom-made vacuum distillation system to purify linear alkyl benzene needed to produce liquid scintillator for the LZ dark matter experiment. Credit: Brookhaven Lab

Fiorucci said the onsite team deserves special praise at this startup milestone, given that the detector was transported underground late in 2019, just before the onset of the COVID-19 pandemic. He said with travel severely restricted, only a few LZ scientists could make the trip to help on site. The team in South Dakota took excellent care of LZ.

“I’d like to second the praise for the team at SURF and would also like to express gratitude to the large number of people who provided remote support throughout the construction, commissioning and operations of LZ, many of whom worked full time from their home institutions making sure the experiment would be a success and continue to do so now,” said Tomasz Biesiadzinski of SLAC, the LZ detector operations manager.

“Lots of subsystems started to come together as we started taking data for detector commissioning, calibrations and science running. Turning on a new experiment is challenging, but we have a great LZ team that worked closely together to get us through the early stages of understanding our detector,” said David Woodward from Pennsylvania State University who coordinates the detector run planning.

The LZ central detector in the clean room at Sanford Underground Research Facility after assembly, before beginning its journey underground. Credit: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility

Maria Elena Monzani of SLAC, the Deputy Operations Manager for Computing and Software, said “We had amazing scientists and software developers throughout the collaboration, who tirelessly supported data movement, data processing, and simulations, allowing for a flawless commissioning of the detector. The support of NERSC [National Energy Research Scientific Computing Center] Fue invaluable».

Con la confirmación de que el LZ y sus sistemas están funcionando con éxito, dijo Lesko, es hora de comenzar las observaciones a gran escala con la esperanza de que una partícula de materia oscura choque con el xenón.[{» attribute=»»>atom in the LZ detector very soon.

LZ is supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics and the National Energy Research Scientific Computing Center, a DOE Office of Science user facility. LZ is also supported by the Science & Technology Facilities Council of the United Kingdom; the Portuguese Foundation for Science and Technology; and the Institute for Basic Science, Korea. Over 35 institutions of higher education and advanced research provided support to LZ. The LZ collaboration acknowledges the assistance of the Sanford Underground Research Facility.