Vraag:Hoe krijg je een 5, 000 pond, 9 meter hoge deeltjesdetector, ontworpen om op donkere materie te jagen, bijna een mijl onder de grond?

A:Heel voorzichtig.

Vorige week, bemanningen van de Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota bonden het centrale onderdeel van LUX-ZEPLIN (LZ) - het grootste directe detectie-experiment met donkere materie in de VS - onder een lift en lieten het langzaam zakken 4, 850 voet naar beneden in een schacht die vroeger werd gebruikt in goudwinningsoperaties.

Deze laatste reis van de centrale detector van LZ op 21 oktober naar zijn rustplaats in een op maat gemaakte onderzoekscaverne vergde een uitgebreide planning en omvatte twee testbewegingen van een "dummy"-detector om de veilige levering te garanderen.

"Dit was de meest uitdagende beweging van een detectorsysteem die ik ooit heb gedaan in decennia van werken aan experimenten, " zei Jeff Cherwinka, de LZ hoofdingenieur van de Universiteit van Wisconsin, die samen met SURF-ingenieurs en andere ondersteuning de planning voor de verhuizing leidde.

Jake Davis, een werktuigbouwkundig ingenieur van SURF die meewerkte aan de cryostaatbeweging, zei, "Tussen de grootte van het apparaat, de grenzen van de ruimte, en de meerdere groepen die bij de verhuizing betrokken zijn, het hele proces vereiste rigoureuze aandacht voor zowel het ontwerp als de planning. Voordat u de detector onder de kooi monteert, we hebben testen gedaan met andere kranen om te zien hoe hij zou reageren als hij was opgehangen. We hebben ook analyses en tests uitgevoerd om ervoor te zorgen dat het mooi recht in de schacht zou blijven."

Hij voegde toe, "De rit was traag, ongeveer 100 voet per minuut. De rit naar de 4, Een niveau van 850 voet duurt meestal 13-15 minuten. Vandaag, het duurde bijna 45 minuten. Ik reed in de kooi, kijken via een inspectiepoort in de vloer. Er was een enorme zucht van opluchting na de verhuizing, maar er is nog veel werk voor de boeg om LZ af te maken."

Theresa Fruth, een postdoctoraal onderzoeker aan het University College London die werkt aan de centrale detector van LZ, zei dat het een hoge prioriteit had om LZ goed afgedicht te houden van eventuele verontreinigingen tijdens zijn reis - zelfs de kleinste sporen van stof en vuil kunnen uiteindelijk de metingen beïnvloeden.

"Vanuit een wetenschappelijk perspectief, we wilden dat de detector precies zo neerkwam als aan de oppervlakte, " zei ze. "De structurele integriteit is ongelooflijk belangrijk, maar zo is de netheid, want we hebben deze detector 10 maanden in een cleanroom gebouwd. Voor de verhuizing, de detector werd twee keer in zakken gedaan, vervolgens ingebracht in de transporterstructuur. Vervolgens, de transporter was omwikkeld met nog een laag sterk plastic. We moeten ook al onze apparatuur ondergronds verplaatsen, zodat we de rest van het installatiewerk ondergronds kunnen doen."

De centrale detector, bekend als de LZ cryostaat en tijdprojectiekamer, zal uiteindelijk worden gevuld met 10 ton vloeibaar xenon dat zal worden gekoeld tot min 148 graden Fahrenheit. Wetenschappers hopen veelbetekenende signalen te zien van donkere materiedeeltjes die worden geproduceerd als ze interageren met de zware xenon-atomen in deze cryostaat.

De vloeibare vorm van xenon, een zeer zeldzaam element, is zo dicht dat een brok graniet op het oppervlak kan drijven. Het is deze dichtheid, vanwege het hoge atoomgewicht van xenon, dat maakt het een goede kandidaat voor het vastleggen van deeltjesinteracties.

De cryostaat is een grote tank, samengesteld uit ultrapuur titanium, is ongeveer 5,5 voet in diameter. Het bevat systemen met in totaal 625 fotomultiplicatorbuizen die aan de boven- en onderkant zijn geplaatst (zie een gerelateerd artikel). Deze buizen zijn ontworpen om lichtflitsen op te vangen die worden geproduceerd in deeltjesinteracties.

Pawel Majewski van het Rutherford Appleton Laboratory in het VK, wie leidde het ontwerp, fabricage, schoonmaak, en levering van het binnenste cryostaatvat van LZ voor de U.K. Science and Technology Facilities Council, zei, "Nu is het buitengewoon verheugend om het te zien ... het hart van het experiment vast te houden en te rusten op zijn laatste plaats op de Davis Campus, een mijl onder de grond."

LZ is ontworpen om te jagen op theoretische donkere materiedeeltjes die WIMP's worden genoemd. of zwak interagerende massieve deeltjes. Donkere materie vormt ongeveer 27 procent van het heelal, hoewel we nog niet weten waar het van gemaakt is en het alleen hebben gedetecteerd door zijn zwaartekrachtseffecten op normale materie.

Het is 100 keer gevoeliger dan het vorige experiment, genaamd LUX, die in dezelfde ondergrondse ruimte opereerde. Door LZ diep onder de grond te plaatsen, wordt het beschermd tegen een groot deel van het gestage bombardement van deeltjes die op het aardoppervlak aanwezig zijn.

De cryostaat van LZ zal worden omringd door een tank gevuld met een vloeistof die bekend staat als een scintillator, die ook zal worden uitgerust met een reeks fotomultiplicatorbuizen en is ontworpen om valse signalen van ongewenste deeltjesruis te verwijderen. En de cryostaat en scintillatortank zullen worden ingebed in een grote watertank die een extra bufferlaag vormt tegen ongewenste deeltjessignalen.

Hoewel de hoofddetector van LUX klein genoeg was om in de SURF-lift te passen, De cryostaat van LZ past precies in de liftschacht.

Het werd eerst buiten een schone kamer op het maaiveld verplaatst, opgehaald met een heftruck, en onder de liftkooi in positie gebracht. Het werd vervolgens aan de onderkant van de kooi vastgemaakt met stroppen en riemen, waar het langzaam werd verplaatst naar het niveau van de Davis Cavern, zijn laatste rustplaats.

Eenmaal losgemaakt van de liftkooi, het werd verplaatst met behulp van luchtschaatsen op een tijdelijk gemonteerd oppervlak - vergelijkbaar met hoe een airhockeypuck over het tafeloppervlak beweegt. Vanwege de grootte van de cryostaat, bemanningen moesten eerst ondergronds leidingwerk tijdelijk verwijderen om de verhuizing mogelijk te maken.

Murdock "Gil" Gilchriese, LZ-projectdirecteur en natuurkundige bij Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), zei, "Volgende, de cryostaat wordt omwikkeld met meerdere isolatielagen, en een paar andere externe componenten zullen worden geïnstalleerd." Berkeley Lab is de leidende instelling voor het LZ-project.

"Dan wordt het in het buitenste cryostaatvat neergelaten, "voegde hij eraan toe. "Het zal maanden duren om alle kabels aan te sluiten en te controleren en alles vacuümdicht te maken." Het meeste LZ-werk is nu ondergronds geconcentreerd, hij zei, met meerdere werkploegen gepland om de montage en installatie van de LZ te voltooien.

Er zijn plannen om in november te beginnen met het testen van het proces van het vloeibaar maken van xenongas voor LZ met behulp van een nep-cryostaat, en om de eigenlijke cryostaat in het voorjaar van 2020 met xenon te vullen. De voltooiing van het project zou al in juli 2020 kunnen plaatsvinden, aldus Gilchriese.