In een verlaten goudmijn een mijl onder Lood, Zuid Dakota, de kosmos wordt rustig genoeg om mogelijk het zwakke gefluister te horen van het meest ongrijpbare materiaal van het universum:donkere materie.

Afgeschermd tegen de stortvloed van kosmische straling die het aardoppervlak voortdurend overspoelt, en ontdaan van luidruchtige radioactieve metalen en gassen, de mijn, wetenschappers denken, zal de ideale setting zijn voor het meest gevoelige experiment met donkere materie tot nu toe. Bekend als LUX-ZEPLIN, het experiment gaat van start in 2020 en zal luisteren naar een zeldzame botsing tussen een donkeremateriedeeltje met 10 ton vloeibaar xenon.

Tien wetenschappers van de University of Wisconsin-Madison zijn betrokken bij het ontwerpen en testen van de detector, en maken deel uit van een team van meer dan 200 onderzoekers van 38 instellingen in vijf landen die aan het project werken. Deze maand, het Department of Energy heeft ingestemd met de uitvoering van de laatste fasen van de montage en constructie van LZ in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, met een totale projectkosten van $ 55 miljoen. Extra ondersteuning komt van internationale medewerkers in het Verenigd Koninkrijk, Zuid-Korea en Portugal, evenals de South Dakota Science and Technology Authority. Het doel van de onderzoekers is om het experiment zo snel mogelijk online te zetten om deel te nemen aan een wereldwijde race om als eerste donkere materie te detecteren.

In de jaren dertig, toen astronomen de rotatie van verre sterrenstelsels bestudeerden, ze merkten dat er niet genoeg materie was - sterren, planeten, heet gas - om de sterrenstelsels bij elkaar te houden door middel van zwaartekracht. Er moest wat extra massa zijn die hielp om al het zichtbare materiaal samen te binden, maar het was onzichtbaar, missend.

Donkere materie, wetenschappers geloven, omvat die ontbrekende massa, een krachtig tegenwicht voor de zwaartekracht dat ervoor zorgt dat sterrenstelsels niet uit elkaar vliegen. Hoewel donkere materie tot nu toe ondetecteerbaar is gebleken, er kan veel van zijn - ongeveer vijf keer meer dan gewone materie.

"Donkere materiedeeltjes kunnen hier in de kamer door je hoofd stromen, misschien af ​​en toe tegen een van je atomen aanlopen, " zegt Duncan Carlsmith, een professor in de natuurkunde aan UW-Madison.

Een voorgestelde verklaring voor donkere materie is de zwakke wisselwerking van massieve deeltjes, of WIMP's, deeltjes die gewoonlijk onopgemerkt door normale materie gaan, maar die mogelijk, soms, er tegenaan botsen. Het LZ-experiment, en soortgelijke projecten in Italië en China, zijn ontworpen om WIMP's te detecteren - of uit te sluiten - in de zoektocht om dit spookachtige materiaal te verklaren.

De detector is opgezet als een enorme bel die kan rinkelen als reactie op de lichtste tik van een donkere-materiedeeltje. Genesteld in twee buitenste kamers die zijn ontworpen om verontreinigende deeltjes te detecteren en te verwijderen, ligt een kamer gevuld met 10 ton vloeibaar xenon. Als een stukje donkere materie tegen een xenonatoom aanloopt, het xenon zal botsen met zijn buren, het produceren van een uitbarsting van ultraviolet licht en het vrijgeven van elektronen.

Even later, de vrije elektronen zullen het xenongas aan de bovenkant van de kamer opwekken en een tweede vrijgeven, helderder licht. Meer dan 500 fotomultiplicatorbuizen zullen op deze signalen letten, die samen onderscheid kunnen maken tussen een verontreinigend deeltje en echte botsingen van donkere materie.

Kimberly Palladino, een assistent-professor natuurkunde aan UW-Madison, en promovendus Shaun Alsum maakten deel uit van het onderzoeksteam voor LUX, de voorloper van LZ, die records instellen bij het zoeken naar WIMP's. Voortbouwend op hun ervaring uit het vorige experiment, Palladino, Alsum, afgestudeerde student Jonathan Nikoleyczik en niet-gegradueerde onderzoekers voeren simulaties uit van botsingen met donkere materie en maken prototypes van de deeltjesdetector om de gevoeligheid van LZ te vergroten en signalen die door gewone materie worden geproduceerd strenger te negeren.

Het LZ-project is "wetenschap doen zoals je wetenschap wilt doen, " zegt Palladino, uitleggen hoe de samenwerking de tijd oplevert, financiering en expertise die nodig zijn om fundamentele vragen over de aard van het universum te beantwoorden.

Het succes van LZ hangt mede af van het uitsluiten van verontreinigende materialen, inclusief reactieve chemicaliën en sporen van radioactieve elementen, van het xenon, die is gebaseerd op technische bekwaamheid geleverd door UW-Madison's Physical Sciences Laboratory. Jeff Cherwinka, hoofdingenieur van het LZ-project en een werktuigbouwkundige PSL, houdt toezicht op de montage van de donkere-materiedetector in een speciale faciliteit die ontdaan is van radioactief radon en ontwerpt een systeem om continu gas te verwijderen dat uit de bekleding van de xenonkamer lekt. Samen met PSL-ingenieur Terry Benson, Cherwinka ontwerpt ook het xenon-opslagsysteem om te voorkomen dat radioactieve elementen tijdens transport en installatie naar binnen lekken.

"Het is een van de sterke punten van de universiteit dat we de technische en productie-expertise hebben om bij te dragen aan deze grootschalige projecten, ", zegt Cherwinka. "Het helpt UW om meer belang in deze projecten te krijgen."

In de tussentijd, Carlsmith en Sridhara Dasu, ook een UW-Madison hoogleraar natuurkunde, zijn computersystemen aan het ontwerpen om de gegevens die uit de detector komen te beheren en te analyseren om klaar te zijn om te luisteren naar botsingen met donkere materie zodra LZ in 2020 wordt ingeschakeld. Eenmaal operationeel, LZ zal snel de fundamentele grens van zijn detectiecapaciteit naderen, het achtergrondgeluid van deeltjes die uit de zon stromen.

"In een jaar, als er geen WIMP's zijn, of als ze te zwak met elkaar omgaan, we zullen niets zien, ", zegt Carlsmith. Het experiment zal naar verwachting ten minste vijf jaar duren om eventuele eerste waarnemingen te bevestigen en nieuwe limieten te stellen aan mogelijke interacties tussen WIMP's en gewone materie.

andere experimenten, waaronder Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center projecten IceCube, HAWC, en CTA, zoeken naar de handtekeningen van de vernietiging van donkere materie als onafhankelijke en indirecte methoden om de aard van donkere materie te onderzoeken. In aanvulling, Wetenschappers van UW-Madison werken aan de Large Hadron Collider, op zoek naar bewijs dat donkere materie wordt geproduceerd tijdens botsingen met hoge energiedeeltjes. Deze combinatie van inspanningen biedt de beste kans tot nu toe om meer te ontdekken over de aard van donkere materie, en daarmee de evolutie en structuur van ons universum.