"Het beste resultaat op donkere materie tot nu toe - en we zijn net begonnen." Dit is hoe wetenschappers achter XENON1T, nu het meest gevoelige donkere-materie-experiment ter wereld, becommentarieerde hun eerste resultaat van een korte 30-daagse run die vandaag aan de wetenschappelijke gemeenschap werd gepresenteerd.

Donkere materie is een van de basisbestanddelen van het universum, vijf keer overvloediger dan gewone materie. Verschillende astronomische metingen hebben het bestaan ​​van donkere materie bevestigd, wat leidt tot een wereldwijde inspanning om interacties van donkere materiedeeltjes met gewone materie in extreem gevoelige detectoren te observeren, die zijn bestaan ​​zou bevestigen en licht zou werpen op zijn eigenschappen. Echter, deze interacties zijn zo zwak dat ze tot nu toe aan directe detectie zijn ontsnapt, dwingen wetenschappers om detectoren te bouwen die steeds gevoeliger worden. De XENON-samenwerking, die met de XENON100-detector jarenlang voorop liep, is nu terug in de frontlinie met het XENON1T-experiment. Het resultaat van een eerste korte run van 30 dagen laat zien dat deze detector een nieuw record laag radioactiviteitsniveau heeft, vele orden van grootte onder de omringende materialen op aarde. Met een totale massa van ongeveer 3200 kg, XENON1T is de grootste detector van dit type ooit gebouwd. De combinatie van een aanzienlijk grotere omvang met een veel lagere achtergrond impliceert een uitstekend potentieel voor het ontdekken van donkere materie in de komende jaren.

De XENON-samenwerking bestaat uit 135 onderzoekers uit de V.S., Duitsland, Italië, Zwitserland, Portugal, Frankrijk, Nederland, Israël, Zweden en de Verenigde Arabische Emiraten. De nieuwste detector van de XENON-familie is sinds het najaar van 2016 in wetenschappelijke werking in het ondergrondse LNGS-laboratorium. Het enige wat je nu ziet als je de ondergrondse experimentele site bezoekt, is een gigantische cilindrische metalen tank gevuld met ultrazuiver water om de detector op zijn centrum, en een drie verdiepingen hoog, transparant gebouw vol met apparatuur om de detector draaiende te houden.

De XENON1T centrale detector, een zogenaamde vloeibare xenon-tijdprojectiekamer (LXeTPC), is niet zichtbaar. Het zit in een cryostaat in het midden van de watertank, volledig ondergedompeld om het zoveel mogelijk te beschermen tegen natuurlijke radioactiviteit in de grot. De cryostaat houdt het xenon op een temperatuur van -95 °C zonder het omringende water te bevriezen. De berg boven het laboratorium schermt de detector verder af, voorkomen van verstoringen door kosmische straling. Maar afscherming van de buitenwereld is niet genoeg, aangezien alle materialen op aarde minuscule sporen van natuurlijke radioactiviteit bevatten. Dus, uiterste zorg is besteed aan het vinden, selecteer en verwerk de materialen van de detector om een ​​zo laag mogelijk radioactief gehalte te bereiken. Laura Baudes, professor aan de Universiteit van Zürich en professor Manfred Lindner van het Max-Planck-Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, benadrukken dat XENON1T hierdoor een record "stilte, " wat nodig is om te luisteren naar de zeer zwakke stem van donkere materie.

Een deeltjesinteractie in vloeibaar xenon leidt tot kleine lichtflitsen. Dit is wat de XENON-wetenschappers opnemen en bestuderen om de positie en de energie van het interagerende deeltje af te leiden, en of het wel of niet donkere materie is. De ruimtelijke informatie stelt de onderzoekers in staat om interacties te selecteren die plaatsvinden in de centrale kern van één ton van de detector.

Het omringende xenon beschermt het kern-xenon-doel verder tegen alle materialen die al kleine overgebleven radioactieve verontreinigingen bevatten. Ondanks de korte wetenschappelijke run van 30 dagen, de gevoeligheid van XENON1T heeft die van elk ander experiment in het veld al overwonnen, onontgonnen gebied van donkere materie aftasten. "WIMP's kwamen niet voor in deze eerste zoekopdracht met XENON1T, maar we hadden ze ook niet zo snel verwacht, " zegt Elena Aprile, Professor aan de Columbia University en woordvoerder van het project. "Het beste nieuws is dat het experiment uitstekende gegevens blijft verzamelen, waardoor we vrij snel de WIMP-hypothese kunnen testen in een gebied van massa en doorsnede met normale atomen als nooit tevoren. Een nieuwe fase in de race om donkere materie te detecteren met ultra-lage achtergrond massieve detectoren op aarde is net begonnen met XENON1T. We zijn er trots op om in de voorhoede van de race te staan ​​met deze geweldige detector, de eerste in zijn soort."