Een mijl onder de grond in een verlaten goudmijn in South Dakota staat een gigantische cilinder met 10 ton gezuiverd vloeibaar xenon, nauwlettend in de gaten gehouden door meer dan 250 wetenschappers over de hele wereld. Die tank met xenon is het hart van het LUX-ZEPLIN (LZ) experiment, een poging om donkere materie te detecteren - de mysterieuze onzichtbare substantie die 85% van de materie in het universum uitmaakt.

"Mensen zijn al meer dan 30 jaar op zoek naar donkere materie en niemand heeft tot nu toe een overtuigende detectie gehad", zegt Dan Akerib, hoogleraar deeltjesfysica en astrofysica aan het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy (DOE). Maar met de hulp van wetenschappers, ingenieurs en onderzoekers van over de hele wereld hebben Akerib en zijn collega's het LZ-experiment tot een van de meest gevoelige deeltjesdetectoren ter wereld gemaakt.

Om dat punt te bereiken, bouwden SLAC-onderzoekers voort op hun expertise in het werken met vloeibare edelen - de vloeibare vormen van edelgassen zoals xenon - inclusief het bevorderen van de technologieën die worden gebruikt om vloeibare edelen zelf te zuiveren en de systemen voor het detecteren van zeldzame interacties met donkere materie in die vloeistoffen. En, zei Akerib, wat onderzoekers hebben geleerd, zal niet alleen helpen bij het zoeken naar donkere materie, maar ook bij andere experimenten die op zoek zijn naar processen in de fysica van zeldzame deeltjes.

"Dit zijn echt diepgaande mysteries van de natuur, en deze samenvloeiing van het begrijpen van het zeer grote en het zeer kleine tegelijkertijd is erg opwindend," zei Akerib. "Het is mogelijk dat we iets compleet nieuws over de natuur kunnen leren."

Op zoek naar donkere materie diep onder de grond

Een huidige leidende kandidaat voor donkere materie is zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's. Zoals het acroniem suggereert, hebben WIMP's echter nauwelijks interactie met gewone materie, waardoor ze erg moeilijk te detecteren zijn, ondanks het feit dat er in theorie veel van hen de hele tijd aan ons voorbij gaan.

Om die uitdaging aan te gaan, ging het LZ-experiment eerst diep onder de grond in de voormalige Homestake-goudmijn, die nu de Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota is. Daar is het experiment goed beschermd tegen het constante bombardement van kosmische straling op het aardoppervlak - een bron van achtergrondgeluid die het moeilijk zou kunnen maken om moeilijk te vinden donkere materie te onderscheiden.

Zelfs dan vereist het vinden van donkere materie een gevoelige detector. Om die reden kijken wetenschappers naar edelgassen, die ook notoir terughoudend zijn om met wat dan ook te reageren. Dit betekent dat er zeer weinig opties zijn voor wat er zou kunnen gebeuren als een donkere-materiedeeltje, of WIMP, interageert met het atoom van een edelgas, en dus een kleinere kans dat wetenschappers een toch al moeilijk te vinden interactie missen.

Maar welke edele? Het blijkt dat "xenon een bijzonder goede edele is voor het detecteren van donkere materie", zei Akerib. Donkere materie interageert het sterkst met kernen, en de interactie wordt nog sterker met de atoommassa van het atoom, legde Akerib uit. Xenon-atomen zijn bijvoorbeeld iets meer dan drie keer zo zwaar als argon-atomen, maar er wordt verwacht dat ze interacties hebben met donkere materie die meer dan tien keer zo sterk zijn.

Nog een voordeel:"Zodra je andere verontreinigingen uit het vloeibare xenon zuivert, zal het vanzelf erg radiostil zijn", zei Akerib. Met andere woorden, het is onwaarschijnlijk dat het natuurlijke radioactieve verval van xenon de detectie van de interacties tussen WIMP's en xenon-atomen in de weg staat.

Alleen de xenon, alstublieft

De truc, zei Akerib, is om pure xenon te krijgen, zonder welke alle voordelen van het edelgas onbetwist zijn. Gezuiverde edelgassen zijn echter niet direct beschikbaar - het feit dat ze niet met veel van iets interageren, betekent ook dat ze over het algemeen vrij moeilijk van elkaar te scheiden zijn. En "helaas kun je niet zomaar een luchtreiniger kopen die edelgassen zuivert", zei Akerib.

Akerib en zijn collega's bij SLAC moesten daarom een ​​manier vinden om al het vloeibare xenon dat ze nodig hadden voor de detector te zuiveren.

De grootste verontreiniging in xenon is krypton, het op een na lichtste edelgas en heeft een radioactieve isotoop, die de interacties zou kunnen maskeren waarnaar onderzoekers op zoek zijn. Om te voorkomen dat krypton het kryptoniet van de deeltjesdetector wordt, hebben Akerib en zijn collega's enkele jaren besteed aan het perfectioneren van een xenonzuiveringstechniek met behulp van zogenaamde gaskoolchromatografie. Het basisidee is om ingrediënten in een mengsel te scheiden op basis van hun chemische eigenschappen, aangezien het mengsel door een soort medium wordt gevoerd. Gaskoolchromatografie gebruikt helium als dragergas voor het mengsel en houtskool als scheidingsmedium.

"Je kunt het helium zien als een gestage bries door de houtskool," legde Akerib uit. "Elk xenon- en krypton-atoom zit een fractie van de tijd vast op de houtskool en een tijdje los. Wanneer de atomen in een niet-vastzittende staat zijn, veegt de heliumbries ze door de kolom." Edelgasatomen zijn minder plakkerig naarmate ze kleiner zijn, wat betekent dat krypton iets minder plakkerig is dan het xenon, dus wordt het weggevaagd door de niet-kleverige helium "bries", waardoor het xenon van het krypton wordt gescheiden. De onderzoekers konden dan de krypton vangen en weggooien en vervolgens het xenon terugwinnen, zei Akerib. "We deden dat voor ongeveer 200 cilinders xenongas - het was een behoorlijk grote campagne."

Het LZ-experiment is niet het eerste experiment dat SLAC is betrokken bij een poging om met xenon naar nieuwe fysica te zoeken. Het Enriched Xenon Observatory-experiment (EXO-200), dat liep van 2011 tot 2018, isoleerde een specifieke xenon-isotoop om te zoeken naar een proces dat neutrinoloos dubbel bètaverval wordt genoemd. Resultaten van het experiment suggereerden dat het proces onvoorstelbaar zeldzaam is, maar een nieuwe voorgestelde zoekopdracht genaamd Next EXO (nEXO) zal de zoektocht voortzetten met een detector die lijkt op die van LZ.

A different sort of electrical grid

No matter what liquid noble fills the detector, a sophisticated detection system is crucial if scientists ever hope to find something like dark matter. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Verder verkennen

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector