Diep onder een berg in de Apennijnen in Italië, een ingewikkeld apparaat zoekt naar de donkere materie van het heelal. Natuurkundestudenten van de Universiteit van Massachusetts speelden een cruciale rol bij de laatste ontdekkingen van de DarkSide-50-detector - en, in feite, maken vanaf het begin deel uit van dit project.

Professor in de natuurkunde Andrea Pocar en zijn studenten ontwierpen en bouwden een raster dat een van de belangrijkste componenten is van DarkSide-50, opgericht in 2009 door een internationale coalitie en gehuisvest in het Gran Sasso National Laboratory in Italië. Studenten zoals Arthur Kurlej '15 en Kirsten Randle '15 ontwierpen, geassembleerd, en dit delicate apparaat op zijn plaats gelast.

Hoewel donkere materie kan worden afgeleid uit zijn zwaartekrachtseffecten, natuurkundigen hebben grote moeite om het te identificeren, omdat het anders nauwelijks interageert met "gewone" materie. Ze moeten dus nieuwe manieren bedenken om het te detecteren.

DarkSide-50 gebruikt een vat met vloeibare argon met een klein zakje argongas aan de bovenkant als doelwit om de deeltjes aan te trekken waarvan wordt aangenomen dat ze donkere materie vormen. Het vloeibare argon is het doelwit voor donkere materiedeeltjes, terwijl de gaszak een belangrijke rol speelt bij het versterken van het resulterende signaal. De argonkern is omgeven door een grote hoeveelheid schone sprankelende vloeistof die hem beschermt tegen radioactiviteit uit de omgeving die signalen van donkere materie kan nabootsen. De lichtflits die wordt geproduceerd wanneer een deeltje de kern van een argonatoom raakt, zal voor onderzoekers een aanwijzing zijn dat ze op het goede spoor.

Het proces bij het ontdekken van donkere materie betekent een absolute expert worden in alles wat donkere materie niet is. Afgestudeerde student Alissa Monte zoekt naar gebeurtenissen die plaatsvinden aan de randen van de detector waar het minder efficiënt is om licht te verzamelen, waar lading vast kan komen te zitten, of gebeurtenissen verliezen energie met randeffecten. Haar werk in deze minder "ideale" regio's helpt onderzoekers het gedrag van de hele detector te begrijpen.

Op de loer liggen voor donkere materie is een zen-achtig proces. "Als we donkere materie willen zien, het is een totaal nieuw signaal, " legt Pocar uit. "In alles zit radioactiviteit. Je moet dus weten hoe die signalen eruitzien in je detector en hoe ze zich kunnen voordoen als donkere materie."

"Als we een evenement zien binnensluipen, "Pocar vervolgt, "Dat is statistisch uiterst significant. We zouden gedwongen zijn te beweren dat dit eigenlijk een signaal is."

Monte presenteerde haar poster op het Dark Matter 2018-symposium aan de UCLA, waar zij en de rest van Pocars team haar eerste rapport gaven over de hoge gevoeligheid van het instrument voor een bepaalde klasse van donkere materie-principes. Het team had gegevens verzameld voor een meting die ze niet eens hadden verwacht te kunnen maken.

"Het bleek dat we gevoeliger waren dan welk experiment dan ook dat momenteel in een bepaald massabereik loopt, " vertelt Pocar. "Er zijn een paar decennia van onderzoek geweest om de grenzen te verleggen op zoek naar de zware dingen, maar niets gevonden. Mensen begonnen zich af te vragen, misschien is dat niet de juiste plek om het te zoeken. Dus hier komen we met dit experiment waar verschillende experimenten op beginnen te lijken."

Het team heeft nu een "uitstekend begrip" van de manier waarop de detector achtergrondgebeurtenissen aangeeft. "Niemand had zelfs verwacht dat we iets zouden zeggen over deze donkere materie met een lage massa, en we hebben de beste gevoeligheid ter wereld ingesteld, " zegt Pocar. "Plotseling, wij zijn een speler in dit spel."