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

Miembros del equipo LZ después de instalar un detector externo en el tanque de agua LZ. Crédito: Matthew Kapust, Centro de Investigación Subterráneo de Sanford

Los investigadores de Berkeley Lab registran el lanzamiento exitoso del detector de materia oscura LUX-ZEPLIN en las instalaciones de investigación subterráneas de Sanford

Un detector de materia oscura innovador y excepcionalmente sensible LUX-ZEPLIN (LZ) experimento – pasó la fase de verificación de operaciones iniciales y produjo los primeros resultados. El LZ está en lo profundo de Black Hills de Dakota del Sur Instalación de investigación subterránea de Sanford (SURF) y es administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE.

«Estamos listos y todo está bien», dijo Kevin Lesko, físico senior 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 sobre el experimento el 7 de julio sitio webLos científicos de LZ informan que con el lanzamiento inicial, LZ ya es 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, así que apenas estamos comenzando. Hay mucha ciencia por hacer, y es muy emocionante».

Mirando hacia el detector externo LZ utilizado para vetar la radiactividad que podría imitar la señal de la materia oscura. Crédito: Matthew Kapust/Instalación subterránea de investigación de Sanford

Mientras tanto materia oscura las partículas nunca se han descubierto en realidad, es posible que no sean ciertas durante mucho tiempo. La cuenta regresiva ya puede comenzar con los resultados de los primeros 60 «días en vivo» de pruebas de LZ. Estos datos se recopilaron durante tres meses y medio de operaciones iniciales a partir de fines de diciembre. Esta duración fue lo suficientemente larga para confirmar que todos los aspectos del detector funcionaban correctamente.

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

Dos tanques de titanio llenos con diez toneladas de xenón líquido muy puro y vistos por dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT) que pueden detectar fuentes de luz tenue forman el corazón del detector de materia oscura LZ. Los tanques de titanio están dentro de un sistema detector más grande para atrapar partículas que podrían imitar la señal de la materia oscura.

Esquema del detector LZ. Crédito: Colaboración LZ

«Estoy emocionada de ver que este detector sofisticado está listo para resolver la cuestión de larga data de qué está hecha la materia oscura», dijo Nathalie Palanque-Delabruy, directora del Departamento de Física de Berkeley Lab. «El equipo de LZ ahora tiene la herramienta más ambiciosa para hacer esto».

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

Henrique Araujo, 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».

Después de confirmar que el LZ y sus sistemas funcionan con éxito, Lesko dijo que 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.