De LUX-ZEPLIN (LZ) donkere materie detector, die binnenkort zijn zoektocht zal beginnen naar de ongrijpbare deeltjes waarvan wordt aangenomen dat ze verantwoordelijk zijn voor de meerderheid van de materie in het universum, had zijn eerste set "ogen" donderdag afgeleverd.

De eerste van twee grote reeksen fotomultiplicatorbuizen (PMT's) - krachtige lichtsensoren die de zwakste flitsen kunnen detecteren - voltooide een 2, 1.000 mijl lange reis per vrachtwagen van Rhode Island naar de Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, Zuid Dakota, waar LZ is gepland om in 2020 te beginnen met zoeken naar donkere materie.

De tweede serie komt in januari aan. Wanneer de LZ-detector is voltooid en ingeschakeld, de PMT-arrays zullen de 10 ton vloeibare xenontank van LZ nauwlettend in de gaten houden, op zoek naar de veelbetekenende dubbele lichtflitsen die worden geproduceerd als een deeltje van donkere materie tegen een xenon-atoom in de tank botst.

Een team van onderzoekers en technici van de Brown University heeft de afgelopen zes maanden nauwgezet de twee arrays in elkaar gezet, elk ongeveer 5 voet in diameter en met in totaal 494 PMT's.

"De levering van deze arrays is het hoogtepunt van een enorme assemblage-inspanning die we hier in onze cleanroom hebben moeten uitvoeren, " zei Rick Gaitskell, een professor in de natuurkunde aan de Brown University die toezicht hield op de constructie van de arrays. "De afgelopen twee jaar we hebben ervoor gezorgd dat elk onderdeel dat in de apparaten gaat, werkt zoals verwacht. Alleen door dat te doen, kunnen we erop vertrouwen dat alles zal werken zoals we willen wanneer de detector wordt ingeschakeld."

Het Brown-team heeft samengewerkt met onderzoekers en ingenieurs van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy en van het Imperial College London om te ontwerpen, aanschaffen, toets, en assembleer alle componenten van de array. Testen van de PMT's, die worden vervaardigd door de Hamamatsu Corp. in Japan, werd uitgevoerd in Brown en in het Imperial College.

"De levering van de eerste reeks PMT's voor LZ aan SURF is een cruciale mijlpaal voor het LZ-project, " zei Murdock "Gil" Gilchriese van Berkeley Lab, wie is de projectleider van het LZ.

Ter voorbereiding op de komst van de PMT-arrays, onderzoekers van SURF werkten al met prototype-arrays om te oefenen met het aansluiten van de PMT's op een complexe reeks bekabeling. De daadwerkelijke montage van deze kabels naar de PMT's vindt plaats in een cleanroom bij SURF.

Niemand weet precies wat donkere materie is. Wetenschappers kunnen de effecten van zijn zwaartekracht zien in de rotatie van sterrenstelsels en in de manier waarop licht buigt terwijl het door het universum reist, maar niemand heeft direct een donkeremateriedeeltje gedetecteerd. De belangrijkste theoretische kandidaat voor een deeltje van donkere materie is de WIMP, of zwak interactief massief deeltje. WIMP's kunnen niet worden gezien omdat ze niet absorberen, uitstoten, of licht weerkaatsen. En ze hebben slechts in zeer zeldzame gevallen interactie met normale materie, daarom zijn ze zo moeilijk te detecteren, zelfs wanneer miljoenen van hen elke seconde door de aarde reizen.

Het LZ-experiment, een samenwerking van meer dan 250 wetenschappers van 38 instellingen wereldwijd, heeft tot doel een van die vluchtig zeldzame WIMP-interacties vast te leggen, en karakteriseren daardoor de deeltjes waarvan wordt aangenomen dat ze meer dan 80 procent van de materie in het universum uitmaken. De detector wordt de meest gevoelige ooit gebouwd:100 keer gevoeliger dan de LUX-detector, waarmee de zoektocht naar donkere materie bij SURF in 2016 werd afgerond.

De PMT-arrays zijn een cruciaal onderdeel van het experiment. Elke PMT is een 6-inch lange cilinder die ongeveer de diameter heeft van een frisdrankblikje. Om arrays te vormen die groot genoeg zijn om het hele LZ-xenondoel te bewaken, honderden PMT's zijn samengevoegd in een cirkelvormige titaniummatrix. De array die bovenop het xenon-doel zal zitten, heeft 253 PMT's, terwijl de onderste array 241 heeft.

PMT's zijn ontworpen om zwakke lichtsignalen te versterken. Wanneer individuele fotonen (lichtdeeltjes) een PMT binnenkomen, ze raken een fotokathode. Als het foton voldoende energie heeft, het zorgt ervoor dat de fotokathode een of meer elektronen uitwerpt. Die elektronen raken dan een elektrode, die meer elektronen uitstoten. Door cascadering door een reeks elektroden wordt het oorspronkelijke signaal met meer dan een factor 1 miljoen versterkt om een ​​detecteerbaar signaal te creëren.

De PMT-arrays van LZ hebben al die gevoeligheid nodig om de flitsen op te vangen die bij een WIMP-interactie horen.

"We kunnen op zoek zijn naar gebeurtenissen die slechts 20 fotonen uitzenden in een enorme tank met 10 ton xenon, dat is iets dat het menselijke visuele systeem niet zou kunnen doen, " zei Gaitskell. "Maar het is iets dat deze arrays kunnen doen, en we zullen ze nodig hebben om het te doen om het signaal van zeldzame deeltjesgebeurtenissen te zien."

De fotonen worden geproduceerd door wat bekend staat als een nucleaire terugslag, die twee verschillende flitsen produceert. De eerste komt op het moment dat een WIMP tegen een xenonkern botst. De seconde, die een paar honderd microseconden later komt, wordt geproduceerd door de ricochet van het xenon-atoom dat werd geraakt. Het stuitert in de atomen eromheen, waardoor een paar elektronen vrijkomen. De elektronen worden vervolgens door een elektrisch veld naar de bovenkant van de tank gedreven, waar ze een dunne laag xenongas bereiken die ze omzet in licht.

Om die kleine flitsen te kunnen onderscheiden van ongewenste gebeurtenissen op de achtergrond, de detector moet worden beschermd tegen kosmische straling en andere soorten straling, waardoor ook vloeibaar xenon oplicht. Daarom vindt het experiment ondergronds plaats bij SURF, een voormalige goudmijn, waar de detector wordt afgeschermd door ongeveer anderhalve kilometer steen om interferentie te beperken.

De noodzaak om interferentie te beperken is ook de reden dat het Brown University-team geobsedeerd was door netheid terwijl ze de arrays assembleerden. De belangrijkste vijand van het team was gewoon oud stof.

"Als je te maken hebt met een instrument dat zo gevoelig is als LZ, plotseling worden dingen waar je normaal niet om geeft, heel serieus, " zei Casey Rhyne, een afgestudeerde student van de Brown University die een leidende rol speelde bij het bouwen van de arrays. "Een van de grootste uitdagingen waarmee we het hoofd moesten bieden, was het minimaliseren van de stofniveaus in de omgeving tijdens de montage."

Elk stofdeeltje draagt ​​een minuscule hoeveelheid radioactieve uranium- en thoriumvervalproducten. De straling is verwaarloosbaar klein en vormt geen gevaar voor mensen, maar te veel van die stippen in de LZ-detector kunnen voldoende zijn om een ​​WIMP-signaal te verstoren.

In feite, het stofbudget voor het LZ-experiment vereist niet meer dan één gram stof in het hele 10-tons instrument. Vanwege al hun hoeken en gaten, de PMT-arrays zouden belangrijke stofafscheiders kunnen zijn als er geen moeite werd gedaan om ze tijdens de bouw schoon te houden.

Het team van de Brown University voerde het meeste werk uit in een cleanroom van klasse 1000, die niet meer dan 1 toelaat 000 microscopisch kleine stofdeeltjes per kubieke voet ruimte. En binnen die cleanroom was een nog ongereptere ruimte die het team "PALACE (PMT Array Lifting And Commissioning Enclosure)" noemde. PALACE was in wezen een ultraschone ruimte waar een groot deel van de eigenlijke array-assemblage plaatsvond. PALACE was een ruimte van "klasse 10" - er waren niet meer dan 10 stofdeeltjes groter dan 1 honderdste van de breedte van een mensenhaar per kubieke voet.

Maar de stralingsproblemen stopten niet bij stof. Voordat de montage van de arrays begon, het team heeft elk onderdeel van elke PMT-buis vooraf gescreend om de stralingsniveaus te beoordelen.

"We hebben Hamamatsu ons alle materialen laten sturen die ze gingen gebruiken voor de PMT-constructie, en we stoppen ze in een ondergrondse germaniumdetector, " zei Samuël Chan, een afgestudeerde student en teamleider van het PMT-systeem. "Deze detector is erg goed in het detecteren van de straling die de bouwmaterialen afgeven. Als de intrinsieke stralingsniveaus in deze materialen laag genoeg waren, toen vertelden we Hamamatsu om door te gaan en ze te gebruiken bij de vervaardiging van deze PMT's."

Het team heeft goede hoop dat al het werk dat ze in de afgelopen zes maanden hebben gestoken, vruchten zal afwerpen wanneer LZ zijn WIMP-zoektocht start.

"Als alles nu goed is, zal het over minder dan twee jaar een enorme impact hebben. als we de voltooide detector aanzetten en gegevens verzamelen, "Zei Gaitskell. "We zullen direct uit die gegevens kunnen zien hoe goed wij en andere mensen het hebben gedaan."

Gezien de grote toename van de zoekgevoeligheid voor donkere materie die de LZ-detector kan leveren in vergelijking met alle eerdere experimenten, het team hoopt dat deze detector eindelijk de enorme zee van dingen die ons allemaal omringt zal identificeren en karakteriseren. Tot dusver, het donkere spul is waanzinnig ongrijpbaar gebleven.