Het belangrijkste onderdeel van het LUX-ZEPLIN-experiment is klaar om te worden verzegeld en bijna 1,5 km ondergronds te worden neergelaten, waar het zal zoeken naar donkere materie.

Donkere materie is een mysterieuze vorm van materie waarvan men denkt dat het ongeveer 85 procent van de massa van het universum uitmaakt. Echter, omdat wordt voorspeld dat het slechts zeer zwak interageert met gewone materie, het is tot nu toe niet ontdekt.

LUX-ZEPLIN (LZ) wordt het meest gevoelige experiment met donkere materie dat ooit is gebouwd. Op 26 juli, onderzoekers klaar met het samenstellen van het middelpunt, de vloeibare xenon-tijdprojectiekamer (TPC), bij de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, ONS..

"Deze xenondetector zal de kern vormen van het LZ-experiment met donkere materie, " zei professor Henrique Araújo, van het departement Natuurkunde aan het Imperial College London, die de LZ-samenwerkingsinspanningen in het VK leidt en samen met professor Tom Shutt van het SLAC National Accelerator Laboratory de ontwikkeling van de TPC leidde.

13, 500 uur inspanning

Om de TPC te monteren, 250 leden van 37 instellingen van over de hele wereld kwamen samen om de mechanische, optisch, elektrisch, aan de radiologische en reinheidseisen van het project werd voldaan.

De fabricage van de tienduizenden componenten waaruit de TPC bestaat, begon in 2015, en de montage van het instrument begon in december 2018. De integratiefase omvatte 13, 500 uur inspanning, waarvan een aanzienlijk deel werd besteed aan het handhaven van de vereiste ultraschone omstandigheden in het assemblagelaboratorium op oppervlakteniveau.

Volgende, het zal worden ingebracht in zijn cryostaatvat - een kamer die koude temperaturen handhaaft - en bijna 1,5 km onder de grond worden neergelaten in een niet meer gebruikte goudmijn, klaar om hopelijk donkere materie te detecteren. De start van de werkzaamheden staat gepland voor medio 2020.

"We hebben een aantal dingen gemeen met een ruimteprogramma, " zei professor Araújo. "Voordat je lanceert, je doet al je werk jarenlang op de grond, het perfectioneren van de techniek, zodat uw instrument ongeacht wat werkt. LZ lijkt een beetje op een ruimte-experiment, ging gewoon de tegenovergestelde richting uit. We kunnen het niet blootstellen aan ondergrondse lucht - dat zou de prestaties in gevaar brengen. Als je het eenmaal ondergronds hebt ingezet, dat is het. Het moet werken."

WIMP's detecteren

Eenmaal ondergronds, de detector wordt gekoeld tot -100°C en gevuld met tien ton vloeibaar xenon. Omdat xenon een zwaar element is, er is een grotere kans dat xenon-atomen interageren met hypothetische donkere materiedeeltjes die WIMP's worden genoemd - zwak interagerende massieve deeltjes.

Onderzoekers geloven dat als een WIMP interageert met een xenonatoom, het zal twee lichtflitsen produceren. Een verschijnt prompt, wanneer het deeltje botst met een xenonatoom, die terugdeinst door de vloeistof. De tweede wordt gegenereerd door elektronen die door de botsing worden afgeschud, die naar de bovenkant van de detector worden geleid en worden versneld door een laag gasvormig xenon boven de vloeistof.

Hoewel deze flitsen voor het menselijk oog niet waarneembaar zijn, de detector is bekleed met honderden fotomultiplicatorbuizen. Deze ultragevoelige sensoren kunnen een signaal van zelfs een enkel foton van licht versterken.

Decennia van ontwikkeling

Het TPC-ontwerp dat door LZ wordt gebruikt, is geperfectioneerd gedurende tientallen jaren van experimenten met vergelijkbare detectoren waarmee onderzoekers kunnen bepalen waar een interactie plaatsvindt, en of dit waarschijnlijk te wijten is aan een achtergrondinteractie in het instrument of een echt signaal van donkere materie. Hiertoe behoorden het ZEPLIN-III-experiment in de Boulby-mijn in Noord-Yorkshire, onder leiding van keizerlijk, en het door de VS geleide LUX-experiment - dat aanleiding gaf tot LZ.

Door diep onder de grond te worden begraven, wordt het experiment beschermd tegen te veel achtergrondinteracties van processen die gemakkelijk aan het oppervlak worden gedetecteerd en die een signaal van donkere materie kunnen verdoezelen, zoals de kosmische stralen die de aarde vanuit de ruimte overspoelen.

Professor Shutt zei:"De TPC is een complex systeem en het is een enorme prestatie om het volledig in elkaar te zetten. Het brengt ons een belangrijke stap dichter bij het kunnen zoeken naar donkere materie.

"Het is ook verheugend omdat het inhield dat er gedurende een aantal jaren een groot aantal subsystemen is ontworpen en gebouwd door groepen in de VS en het VK. Dus, het is een soort samenkomen voor de samenwerking."