De race is begonnen om het meest gevoelige in de VS gebaseerde experiment te bouwen dat is ontworpen om donkere materiedeeltjes rechtstreeks te detecteren. Ambtenaren van het Department of Energy hebben formeel een belangrijke bouwmijlpaal goedgekeurd die het project naar zijn voltooiingsdoel van april 2020 zal stuwen.

Het LUX-ZEPLIN (LZ) experiment, die bijna anderhalve kilometer ondergronds zal worden gebouwd in de Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, SD, wordt beschouwd als een van de beste weddenschappen tot nu toe om te bepalen of getheoretiseerde donkere materiedeeltjes die bekend staan ​​als WIMP's (zwak interagerende massieve deeltjes) daadwerkelijk bestaan. Er zijn andere kandidaten voor donkere materie, te, zoals "axions" of "steriele neutrino's, " welke andere experimenten beter geschikt zijn om uit te roeien of uit te sluiten.

Het snel evoluerende schema voor LZ zal de VS helpen concurrerend te blijven met soortgelijke next-gen directe-detectie-experimenten met donkere materie die gepland zijn in Italië en China.

Op 9 februari het project heeft een DOE-beoordelings- en goedkeuringsfase doorstaan ​​die bekend staat als Critical Decision 3 (CD-3), die het definitieve ontwerp aanvaardt en formeel de bouw start.

"We zullen proberen zo snel mogelijk te gaan om alles in april 2020 af te hebben. " zei Murdock "Gil" Gilchriese, LZ-projectdirecteur en natuurkundige bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE (Berkeley Lab), het leidende lab voor het project. "We kregen een zeer sterke goedkeuring om snel te gaan en de eerste te zijn." De LZ-samenwerking heeft nu ongeveer 220 deelnemende wetenschappers en ingenieurs die 38 instellingen over de hele wereld vertegenwoordigen.

De aard van donkere materie - die natuurkundigen beschrijven als de onzichtbare component of zogenaamde "ontbrekende massa" in het universum die de sneller dan verwachte spins van sterrenstelsels zou verklaren, en hun beweging in clusters die door het hele universum worden waargenomen - is wetenschappers ontgaan sinds het bestaan ​​ervan werd afgeleid door berekeningen door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky in 1933.

De zoektocht om erachter te komen waaruit donkere materie bestaat, of om te leren of het kan worden verklaard door de bekende natuurwetten op nieuwe manieren aan te passen, wordt beschouwd als een van de meest prangende vragen in de deeltjesfysica.

Opeenvolgende generaties van experimenten zijn geëvolueerd om extreme gevoeligheid te bieden in de zoektocht die op zijn minst enkele van de waarschijnlijke kandidaten en schuilplaatsen voor donkere materie zal uitsluiten, of kan leiden tot een ontdekking.

LZ zal minstens 50 keer gevoeliger zijn voor het vinden van signalen van donkere materiedeeltjes dan zijn voorganger, het Large Underground Xenon-experiment (LUX), die vorig jaar van SURF is gehaald om plaats te maken voor LZ. Het nieuwe experiment zal 10 ton ultragezuiverd vloeibaar xenon gebruiken, om mogelijke signalen van donkere materie op te sporen. Xenon, in zijn gasvorm, is een van de zeldzaamste elementen in de atmosfeer van de aarde.

"De wetenschap is zeer overtuigend, dus het wordt nagestreefd door natuurkundigen over de hele wereld, " zei Carter Hall, de woordvoerder van de LZ-samenwerking en een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Maryland. "Het is een vriendschappelijke en gezonde competitie, met een belangrijke ontdekking die mogelijk op het spel staat."

Een geplande upgrade van het huidige XENON1T-experiment in het Gran Sasso-laboratorium van het National Institute for Nuclear Physics (het XENONnT-experiment) in Italië, en China's plannen om het werk aan PandaX-II vooruit te helpen, zijn ook gepland om toonaangevende ondergrondse experimenten te zijn die vloeibaar xenon zullen gebruiken als medium om een ​​​​signaal van donkere materie op te sporen. Beide projecten zullen naar verwachting een vergelijkbare planning en schaal hebben als LZ, hoewel LZ-deelnemers streven naar een hogere gevoeligheid voor donkere materie dan deze andere kanshebbers.

Hall merkte op dat hoewel WIMP's een primair doelwit zijn voor LZ en haar concurrenten, LZ's verkenningen naar onbekend terrein kunnen leiden tot een verscheidenheid aan verrassende ontdekkingen. "Mensen ontwikkelen allerlei modellen om donkere materie te verklaren, " zei hij. "LZ is geoptimaliseerd om een ​​zware WIMP waar te nemen, maar het is ook gevoelig voor sommige minder conventionele scenario's. Het kan ook zoeken naar andere exotische deeltjes en zeldzame processen."

LZ is zo ontworpen dat als een donkeremateriedeeltje botst met een xenonatoom, het zal een snelle lichtflits produceren, gevolgd door een tweede lichtflits wanneer de elektronen geproduceerd in de vloeibare xenonkamer naar zijn top drijven. Het licht pulseert, opgepikt door een reeks van ongeveer 500 lichtversterkende buizen langs de enorme tank - meer dan vier keer meer dan er in LUX waren geïnstalleerd - zal de veelbetekenende vingerafdruk dragen van de deeltjes die ze hebben gecreëerd.

Daniël Akerib, Thomas Sluit, en Maria Elena Monzani leiden het LZ-team van het SLAC National Accelerator Laboratory. De SLAC-inspanning omvat een programma om xenon te zuiveren voor LZ door krypton te verwijderen, een element dat typisch wordt aangetroffen in sporenhoeveelheden met xenon na standaard verfijningsprocessen. "We hebben de zuivering die nodig is voor LZ al aangetoond en werken nu aan manieren om het xenon verder te zuiveren om het wetenschappelijke bereik van LZ uit te breiden, ' zei Akerib.

Medewerkers van SLAC en Berkeley Lab zijn ook bezig met het ontwikkelen en testen van handgeweven draadroosters die elektrische signalen opwekken die worden geproduceerd door deeltjesinteracties in de vloeibare xenontank. Prototypes op ware grootte zullen later dit jaar worden gebruikt op een SLAC-testplatform. "Deze tests zijn belangrijk om ervoor te zorgen dat de netten geen lage elektrische ontlading produceren wanneer ze op hoogspanning worden gebruikt, omdat de ontlading een zwak signaal van donkere materie zou kunnen overspoelen, ' zei Shut.

Hugh Lippincott, een Wilson Fellow bij Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en de natuurkundecoördinator voor de LZ-samenwerking, zei, "Naast de inspanningen om de detector te bouwen en zo snel mogelijk gegevens te verzamelen, we bouwen ook onze simulatie- en data-analysetools op, zodat we kunnen begrijpen wat we zullen zien wanneer de detector wordt ingeschakeld. We willen klaar zijn voor natuurkunde zodra de eerste lichtflits in het xenon verschijnt." Fermilab is verantwoordelijk voor de implementatie van belangrijke onderdelen van het kritieke systeem dat zorgt voor, zuivert, en koelt het xenon.

Alle componenten voor LZ worden nauwgezet gemeten voor natuurlijk voorkomende stralingsniveaus om rekening te houden met mogelijke valse signalen afkomstig van de componenten zelf. Een stoffilterende cleanroom wordt voorbereid voor de assemblage van LZ en een gebouw voor het verminderen van radon is in aanbouw op de locatie in South Dakota - radon is een natuurlijk voorkomend radioactief gas dat de detectie van donkere materie zou kunnen verstoren. Deze stappen zijn nodig om achtergrondsignalen zoveel mogelijk te verwijderen.

De vaten die het vloeibare xenon zullen omringen, die vallen onder de verantwoordelijkheid van de Britse deelnemers aan de samenwerking, worden nu in Italië geassembleerd. Ze zullen worden gebouwd met 's werelds meest ultrazuivere titanium om achtergrondgeluid verder te verminderen.

Om ervoor te zorgen dat ongewenste deeltjes niet verkeerd worden gelezen als signalen van donkere materie, De vloeibare xenonkamer van LZ zal worden omringd door een andere met vloeistof gevulde tank en een afzonderlijke reeks fotomultiplicatorbuizen die andere deeltjes kunnen meten en grotendeels valse signalen kunnen uitspreken. Brookhaven National Laboratory is bezig met de productie van een andere zeer zuivere vloeistof, bekend als een scintillatorvloeistof, dat gaat in deze tank.

De cleanrooms zullen in juni klaar zijn, Gilchriese zei, en de voorbereiding van de caverne waar LZ wordt gehuisvest bij SURF is in volle gang. De montage en installatie op locatie begint in 2018, hij voegde toe, en al het xenon dat nodig is voor het project is al geleverd of staat onder contract. Xenongas, die duur is om te produceren, wordt gebruikt in verlichting, medische beeldvorming en anesthesie, voortstuwingssystemen voor ruimtevoertuigen, en de elektronica-industrie.

"South Dakota is er trots op het LZ-experiment bij SURF te hosten en 80 procent van het xenon voor LZ bij te dragen, " zei Mike Headley, directeur van de South Dakota Science and Technology Authority (SDSTA) die toezicht houdt op SURF. "Ons facilitaire werk is aan de gang en we liggen op schema om de tijdlijn van LZ te ondersteunen."

Britse wetenschappers, die ongeveer een kwart van de LZ-samenwerking uitmaken, leveren hardware voor de meeste subsystemen. Henrique Araújo, van het Imperial College in Londen, zei, "We kijken ernaar uit om alles samen te zien komen na een lange periode van ontwerp en planning."

Kelly Hanzel, LZ-projectmanager en een werktuigbouwkundig ingenieur van Berkeley Lab, toegevoegd, "We hebben een uitstekende samenwerking en een team van ingenieurs die toegewijd zijn aan de wetenschap en het succes van het project." De laatste goedkeuringsmijlpaal, ze zei, "is waarschijnlijk de belangrijkste stap tot nu toe, " omdat het voorziet in de aankoop van de meeste belangrijke componenten in de ondersteunende systemen van LZ.