Wetenschappers hebben een nieuwe kijk op de zoektocht naar donkere materie - een acrylvat met een groep van 12 meter hoge transparante tanks met 1-inch dikke muren.

de tanks, die een centrale detector zal omringen voor een bijna anderhalve kilometer diep experiment in aanbouw in South Dakota genaamd LUX-ZEPLIN (LZ), zal worden gevuld met vloeistof die kleine lichtflitsen produceert bij sommige interacties tussen deeltjes.

Wetenschappers zullen deze lichtflitsen volgen met een data-acquisitiesysteem en hun waarschijnlijke bronnen reconstrueren. Naast het vasthouden van de vloeibare scintillator, de tanks zullen ook dienen als een schild voor een ongewenst "geluid" van deeltjes dat kan interfereren met andere, gewilde signalen, en als een vetosysteem - een soort leugendetector die wetenschappers kan helpen om valse detecties van donkere materie te onderscheiden van een echte ontdekking.

Donkere materie, die naar schatting 85 procent van alle materie in het universum uitmaakt, nooit rechtstreeks gezien, hoewel wetenschappers de aanwezigheid ervan detecteren door zwaartekrachtseffecten. De sterren in spiraalstelsels, bijvoorbeeld, waargenomen dat ze met ongeveer dezelfde snelheid door het centrum bewegen, zelfs op zeer verschillende afstanden, wat wetenschappers vertelt dat er iets anders in het spel is dat dit onverwachte effect veroorzaakt.

Hoewel we niet weten waaruit donkere materie bestaat, het LZ-experiment is ontworpen om op een van de hoofdverdachten te jagen - een theoretisch deeltje dat bekend staat als een WIMP, of zwak interactief massief deeltje.

Een internationale samenwerking, met ongeveer 250 wetenschappers, ingenieurs, en technici van 38 instellingen, werkt aan LZ. Het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse ministerie van Energie houdt toezicht op de bouw en installatie van LZ. Het LZ-experiment zal naar verwachting in 2020 beginnen met het verzamelen van gegevens.

De acryltanks van LZ werden in segmenten gevormd om in de liftschacht van de Sanford Underground Research Facility (SURF) te passen, een voormalige goudmijn in Lood, Zuid Dakota. LZ zal een onlangs gerenoveerde grot bij SURF innemen, waar vroeger zijn kleinere voorganger woonde, het LUX-experiment (Large Underground Xenon).

LZ is ontworpen om minstens 100 keer gevoeliger te zijn voor mogelijke signalen van donkere materiedeeltjes dan LUX. Het vetosysteem dat wordt gevormd door de acryltanks en een gerelateerde reeks lichtgevoelige detectoren zal het vermogen van LZ om niet-donkere-materiesignalen uit te sluiten, verbeteren.

De vier grootste acryltanks van LZ, die op maat zijn ontworpen en gevormd, meet 12,3 voet lang, 7,5 voet breed, en 3,4 voet dik, en weeg 1, 500 pond per stuk. Twee arriveerden eerder deze maand bij SURF, en de andere twee worden binnen de volgende maand geleverd. Zes kleinere tanks - drie die bovenop de hoofddetector zullen zitten en drie die eronder zullen zitten - zullen tegen het einde van het jaar aankomen.

"Het ziet eruit als een gigantisch lichtzwaard dat van bovenaf in vieren is gesneden, " zei Harry Nelson, een natuurkundeprofessor aan de UC Santa Barbara die toezicht houdt op de inspanningen voor acryltanks voor LZ. Nelson vergelijkt de tanks met een van de mythische lichte zwaarden uit de sciencefictionfilms "Star Wars". UC Santa Barbara heeft gediend als de technische leiding voor de tanks, toezicht houden op hun ontwerp, commerciële fabricage, testen, en vervoer.

Onderzoekers hebben een speciaal frame ontworpen om de tanks te ondersteunen en te beschermen, zodat arbeiders de tanks door het tunnelcomplex naar hun rustplaats kunnen manoeuvreren. Een speciale tuigage die aan dit frame is bevestigd, wordt gebruikt om elk van de grote tankcomponenten onder de lift bij SURF op te hangen voor hun reis onder de grond. "Elk segment zal als een kerstversiering aan de onderkant van de lift worden opgehangen, ' zei Nelson.

Simon Fiorucci, een Berkeley Lab-fysicus die toezicht houdt op LZ-operaties bij SURF, zei, "Dit is het eerste exemplaar van een significante installatie van LZ-detectorapparatuur in het ondergrondse laboratorium. Het is een belangrijke mijlpaal voor het project, en het belooft veel goeds voor het drukke jaar dat voor ons ligt."

Andere natuurkundige experimenten hebben ook acryl gebruikt voor opslagtanks, Nelson merkte op, inclusief het 12-voets bolvormige schip van het Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Canada.

In totaal, de 10 tanks die de cilindrische centrale detector bij LZ zullen omringen, zullen ongeveer 17 ton van een vloeibare scintillator bevatten, bekend als lineair alkylbenzeen, dat vaker wordt gebruikt als ingrediënt in wasmiddelen en andere schoonmaakproducten. De centrale cilindrische detector is gebouwd met ultrazuiver titanium en zal 10 ton ultragezuiverd vloeibaar xenon bevatten, een zeldzaam element waarvan de atomen lichtflitsen kunnen uitzenden bij interacties tussen deeltjes.

"Recente zoektochten naar donkere materie hebben aangetoond dat neutronen een schadelijke achtergrond kunnen zijn, met de mogelijkheid om een ​​signaal van donkere materie na te bootsen, " zei Carter Hall, LZ-woordvoerder en hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Maryland. Neutronen zijn deeltjes zonder lading die zich in atoomkernen bevinden. "De acryltanks en hun vloeibare scintillator-lading zullen een krachtig neutronenafwijzingssignaal geven, zodat LZ niet voor de gek gehouden wordt."

Als lagen van een ui, de acryltanks passen precies rond de centrale LZ-detector en worden zelf omringd door een grote tank met ongeveer 60, 000 gallons (230 ton) ultrapuur water.

"Alles moet in elkaar passen binnen een tolerantie van een kwart inch, " zei Sally Shaw, een postdoctoraal onderzoeker van UC Santa Barbara die ervoor heeft gezorgd dat de tanks voldoen aan de strenge eisen van het LZ-experiment.

De tanks zijn elk van binnenuit gereinigd voordat ze naar het SURF-terrein werden verscheept, merkte ze op.

"Elke radioactiviteit in de tanks zal licht creëren, " zei ze. "Er is een procedure waarbij ze worden weggeveegd met oplosmiddelen. Dan gebruiken we gedeïoniseerd water en speciaal reinigingspoeder, met iemand die in de tanks ligt. Het gaat om heel veel spoelen, en het testen van de zuiverheid van het gespoelde water. Het is een grote klus."

UC Santa Barbara-onderzoekers werkten nauw samen met de fabrikant van de tanks, Reynolds Polymer Technology in Grand Junction, kleur, om de stevige frames te ontwerpen en te engineeren die worden gebruikt om de tanks tijdens het transport te beschermen. De lijsten zijn roze geverfd, Shaw's favoriete kleur, als erkenning voor haar vele bijdragen aan het project.

LZ-onderzoekers maakten veel reizen naar de productielocatie van de tanks om toezicht te houden op het proces in verschillende stadia.

Nadat alle tanks zijn neergelaten in de onderzoeksgrot en in de lege watertank waar LZ zal worden geïnstalleerd, ze blijven in beschermende verpakking tot de laatste montagefasen eind 2019.