Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft de financiering en start van de bouw goedgekeurd voor het SuperCDMS SNOLAB-experiment, die in het begin van de jaren 2020 met operaties zal beginnen om op hypothetische donkere materiedeeltjes te jagen die zwak interagerende massieve deeltjes worden genoemd, of WIMP's. Het experiment zal minstens 50 keer gevoeliger zijn dan zijn voorganger, het verkennen van WIMP-eigenschappen die niet door andere experimenten kunnen worden onderzocht en onderzoekers een krachtig nieuw hulpmiddel bieden om een ​​van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde te begrijpen.

Het SLAC National Accelerator Laboratory van de DOE beheert het bouwproject voor de internationale SuperCDMS-samenwerking van 111 leden van 26 instellingen, die zich voorbereidt om onderzoek te doen met het experiment.

"Het begrijpen van donkere materie is een van de populairste onderzoeksonderwerpen - bij SLAC en over de hele wereld, " zei Joanne Hewett, hoofd van SLAC's Fundamental Physics Directorate en chief research officer van het lab. "We zijn verheugd om het project te leiden en met onze partners samen te werken om dit volgende generatie donkere materie-experiment te bouwen."

Met de DOE-goedkeuringen, bekend als kritische beslissingen 2 en 3, de onderzoekers kunnen nu het experiment bouwen. Het DOE Office of Science zal $ 19 miljoen bijdragen aan de inspanning, krachtenbundeling met de National Science Foundation ($12 miljoen) en de Canada Foundation for Innovation ($3 miljoen).

"Ons experiment zal 's werelds meest gevoelige zijn voor relatief lichte WIMP's - in een massabereik van een fractie van de protonmassa tot ongeveer 10 protonmassa's, " zei Richard Partridge, hoofd van de SuperCDMS-groep bij het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), een gezamenlijk instituut van SLAC en Stanford University. "Deze ongeëvenaarde gevoeligheid zal opwindende kansen creëren om nieuwe gebieden in onderzoek naar donkere materie te verkennen."

Een ultrakoude zoektocht 6, 800 voet onder de grond

Wetenschappers weten dat zichtbare materie in het heelal slechts 15 procent van alle materie uitmaakt. De rest is een mysterieuze substantie, donkere materie genoemd. Door zijn aantrekkingskracht op gewone materie, donkere materie is een belangrijke motor voor de evolutie van het heelal, die de vorming van sterrenstelsels zoals onze Melkweg beïnvloeden. Het is daarom fundamenteel voor ons eigen bestaan.

Maar wetenschappers moeten nog ontdekken waaruit donkere materie bestaat. Ze geloven dat het kan bestaan ​​uit donkere materiedeeltjes, en WIMP's zijn topkandidaten. Als deze deeltjes bestaan, ze zouden nauwelijks interactie hebben met hun omgeving en onaangeroerd door gewone materie vliegen. Echter, om de zoveel tijd, ze zouden kunnen botsen met een atoom van onze zichtbare wereld, en onderzoekers van donkere materie zijn op zoek naar deze zeldzame interacties.

In het SuperCDMS SNOLAB-experiment, het zoeken zal gebeuren met behulp van silicium- en germaniumkristallen, waarbij de botsingen kleine trillingen zouden veroorzaken. Echter, om de atomaire trillingen te meten, de kristallen moeten worden afgekoeld tot minder dan minus 459,6 graden Fahrenheit - een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. Deze ultrakoude omstandigheden geven het experiment zijn naam:Cryogenic Dark Matter Search, of CDMS. Het voorvoegsel "Super" geeft een verhoogde gevoeligheid aan in vergelijking met eerdere versies van het experiment.

De botsingen zouden ook elektronenparen en elektronentekorten produceren die door de kristallen bewegen, waardoor extra atomaire trillingen worden veroorzaakt die het signaal van de botsing met donkere materie versterken. Het experiment zal deze "vingerafdrukken" van donkere materie kunnen meten met geavanceerde supergeleidende elektronica.

Het experiment zal worden geassembleerd en geëxploiteerd in het Canadese laboratorium SNOLAB - 6, 800 voet onder de grond in een nikkelmijn nabij de stad Sudbury. Het is het diepste ondergrondse laboratorium in Noord-Amerika. Daar wordt het beschermd tegen hoogenergetische deeltjes, kosmische straling genoemd, die ongewenste achtergrondsignalen kunnen creëren.

"SNOLAB is verheugd om de SuperCDMS SNOLAB-samenwerking te verwelkomen in het ondergrondse laboratorium, " zei Kerry Loken, Projectmanager SNOLAB. "We kijken uit naar een geweldige samenwerking en naar het ondersteunen van deze toonaangevende wetenschap."

De afgelopen maanden, een prototype van een detector is met succes getest bij SLAC. "Deze tests waren een belangrijke demonstratie dat we in staat zijn om de eigenlijke detector te bouwen met een voldoende hoge energieresolutie, evenals detectorelektronica met een laag geluidsniveau om onze onderzoeksdoelen te bereiken, " zei Paul Brink van KIPAC, die toezicht houdt op de fabricage van de detectoren op Stanford.

Samen met zeven andere samenwerkende instellingen, SLAC zal het middelpunt van het experiment vormen, bestaande uit vier detectortorens, elk met zes kristallen in de vorm van oversized hockeypucks. Eind 2018 zou de eerste toren naar SNOLAB kunnen worden gestuurd.

"De detectortorens zijn het technologisch meest uitdagende onderdeel van het experiment, de grenzen verleggen van ons begrip van apparaten met een lage temperatuur en supergeleidende uitlezing, " zei Bernard Sadoulet, een medewerker van de Universiteit van Californië, Berkeley.

Een sterke samenwerking voor buitengewone wetenschap

Naast SLA, twee andere nationale laboratoria zijn bij het project betrokken. Fermi National Accelerator Laboratory werkt aan de ingewikkelde afschermings- en cryogene infrastructuur van het experiment, en Pacific Northwest National Laboratory helpt achtergrondsignalen in het experiment te begrijpen, een grote uitdaging voor de detectie van zwakke WIMP-signalen.

Een aantal Amerikaanse en Canadese universiteiten spelen ook een sleutelrol in het experiment, werken aan taken variërend van detectorfabricage en testen tot data-analyse en simulatie. De grootste internationale bijdrage komt uit Canada en omvat de onderzoeksinfrastructuur van SNOLAB.

"We hebben het geluk dat we een hecht netwerk van sterke samenwerkingspartners hebben, wat cruciaal is voor ons succes, " zei Blas Cabrera van KIPAC, die het project door de CD-2/3-goedkeuringsmijlpaal leidde. "Hetzelfde geldt voor de uitstekende steun die we krijgen van de financieringsinstanties in de VS en Canada."

Dan Bauer van Fermilab, woordvoerder van de SuperCDMS-samenwerking, zei, "Samen zijn we nu klaar om een ​​experiment te bouwen dat zal zoeken naar donkere materiedeeltjes die interageren met normale materie in een geheel nieuwe regio."

SuperCDMS SNOLAB wordt de nieuwste in een reeks van steeds gevoeliger wordende experimenten met donkere materie. De meest recente versie, gelegen in de Soudan-mijn in Minnesota, voltooide operaties in 2015.

"Het project heeft lessen getrokken uit eerdere CDMS-experimenten om de experimentele infrastructuur en detectorontwerpen voor het experiment aanzienlijk te verbeteren, " zei Ken Fouts van SLAC, projectmanager voor SuperCDMS SNOLAB. "De combinatie van ontwerpverbeteringen, de diepe locatie en de infrastructuurondersteuning die door SNOLAB wordt geboden, zullen het experiment in staat stellen zijn volledige potentieel te bereiken bij het zoeken naar donkere materie met een lage massa."