In de zoektocht van onderzoekers naar bewijs van donkere materie, natuurkundige Andrea Pocar van de Universiteit van Massachusetts Amherst en zijn studenten hebben een belangrijke rol gespeeld bij het ontwerpen en bouwen van een belangrijk onderdeel van de op argon gebaseerde DarkSide-50-detector die zich ondergronds bevindt in het Gran Sasso National Laboratory in Italië.

Deze week, wetenschappers van over de hele wereld die bijeenkwamen aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, op het Dark Matter 2018 Symposium hoorde van nieuwe resultaten in de zoektocht naar bewijs van het ongrijpbare materiaal in Weakly Interacting Massive Particles (WIMP's) door de DarkSide-50-detector. WIMP's zijn al tientallen jaren kandidaat-deeltjes van donkere materie, maar tot op heden is er geen gevonden.

Pocar zegt dat de DarkSide-detector het grote potentieel van vloeibare argontechnologie heeft aangetoond bij het zoeken naar zogenaamde "zware WIMP's, " die met een massa van ongeveer 100 tot 10, 000 keer de massa van een proton. Verder, hij voegt toe, de dubbelfasige argontechniek die door de DarkSide-50-detector wordt gebruikt, heeft onverwachte kracht bij het zoeken naar "low-mass WIMP's, " met slechts 1-10 keer de massa van een proton.

Hij voegt toe, "Het onderdeel dat we bij UMass Amherst hebben gemaakt, met zeer toegewijde studenten die vanaf het begin betrokken waren, werkt erg goed. Het is spannend deze week om het eerste verslag van ons succes op het symposium te zien verschijnen." Zijn afgestudeerde student Alissa Monte, die oppervlakte- en radongerelateerde achtergronden heeft bestudeerd met behulp van DarkSide-50, zal een poster presenteren op de UCLA-bijeenkomst.

Pocar zegt, "Er is een levendige gemeenschap van onderzoekers over de hele wereld die concurrerende experimenten uitvoert in dit 'lage massa' WIMP-gebied. De afgelopen twee jaar hebben we gegevens verzameld voor een meting waarvan we niet hadden verwacht dat we ze zouden kunnen maken. Op dit moment zijn we in een spel waarvan we dachten dat we er niet in zouden kunnen zijn. We melden de hoge gevoeligheid die we met het instrument hebben bereikt, die beter presteert dan verwacht." Gevoeligheid verwijst naar het vermogen van het instrument om onderscheid te maken tussen donkere materie en achtergrondstraling.

Donkere materie, Pocar legt uit, vertegenwoordigt ongeveer 25 procent van de energie-inhoud van het universum en hoewel het een massa heeft die kan worden afgeleid uit zwaartekrachtseffecten, natuurkundigen hebben grote moeite om het te detecteren en te identificeren omdat het nauwelijks interageert, als al, met "gewone" materie door andere krachten. "Donkere materie lijkt niet veel interactie te willen hebben met de materie die we kennen, ’ merkt de natuurkundige op.

De DarkSide-50-detector gebruikt 50 kg (ongeveer 110 lbs.) vloeibaar argon in een vat, met een klein zakje argongas aan de bovenkant, Pocar legt uit, als een doelwit om WIMP's te detecteren. De onderzoekers hopen dat een WIMP de kern van een argonatoom in de tank raakt, die vervolgens kan worden gedetecteerd door de ionisatie die wordt geproduceerd door de nucleaire terugslag in het omringende argonmedium. Een deel van het ionisatiesignaal, evenredig met de energie die in de detector wordt afgezet, wordt verzameld door een elektrisch veld op het doel aan te leggen, hij legt uit.

Bij ionisatie wordt ook een lichtflits geproduceerd in het argon, zegt Pocar. Voor evenementen met voldoende energie, de lichtpuls is helder genoeg om te worden gebruikt om het verschil in "signatuur" te zien tussen een nucleaire terugslag zoals die veroorzaakt door een WIMP, en elektronterugslag geïnduceerd door achtergrond- of omgevingsradioactiviteit.

Pocar's lab ontworpen, een van de elektroden gemaakt en geïnstalleerd die het elektrische veld aanleggen. Hij zegt, "Voor WIMP's met een lage massa, de hoeveelheid energie die door een WIMP naar de argonkern wordt overgebracht, is ongelooflijk klein. Het is alsof je een biljartbal raakt met een langzame pingpongbal. Maar het belangrijkste voor ons is dat we nu, met twee jaar aan gegevens, we hebben een uitstekend begrip van onze detector en we begrijpen alle niet-WIMP-gebeurtenissen heel goed. Zodra u uw detector begrijpt, je kunt al dat begrip toepassen in de zoekmodus, en plannen voor vervolgexperimenten."

Cristiano Galbiati, woordvoerder van het DarkSide-project, zei op het symposium van deze week, "Dit is de beste manier om het avontuur van het toekomstige experiment DarkSide-20k te beginnen. De resultaten van DarkSide-50 geven veel vertrouwen in onze technologische keuzes en in het vermogen om een ​​boeiend ontdekkingsprogramma voor donkere materie uit te voeren. Als een detectortechnologie ooit overtuigend door donkere materie veroorzaakte gebeurtenissen zal identificeren, dit zal het zijn."