Başarı! Dünyanın en hassas karanlık madde dedektöründen ilk sonuçlar

Berkeley Lab araştırmacıları, Sanford Yeraltı Araştırma Tesisinde LUX-ZEPLIN karanlık madde dedektörünün başarılı bir şekilde başlatıldığını kaydetti

Yenilikçi ve benzersiz hassas karanlık madde dedektörü lüks zeplin Deney (LZ) – Başlangıç ​​oturumu kapatma aşamasını geçti ve ilk sonuçları sağladı. LZ, Güney Dakota’nın Kara Tepeleri’nin derinliklerinde yer almaktadır. Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi (SURF) ve Enerji Bakanlığı’nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Laboratuvarı) tarafından yönetilmektedir.

Berkeley Lab baş fizikçisi ve eski LZ sözcüsü Kevin Lesko, “Hazırız ve her şey yolunda görünüyor” dedi. “Birçok parçası olan karmaşık bir dedektör ve hepsi beklentiler dahilinde iyi çalışıyor” dedi.

Deneyle ilgili 7 Temmuz’da yayınlanan bir makalede İnternet sitesiLZ bilim adamları, ilk operasyonla LZ’nin dünyanın en hassas karanlık madde dedektörü haline geldiğini bildirdi. Makale, daha sonraki bir tarihte çevrimiçi ön baskı arşivi arXiv.org’da görünecektir. Santa Barbara’daki California Üniversitesi’nden LZ sözcüsü Hugh Lippincott şunları söyledi: “Önümüzdeki yıllarda yaklaşık 20 kat daha fazla veri toplamayı planlıyoruz, bu yüzden daha yeni başlıyoruz. Yapılması gereken çok fazla bilim var ve bu çok heyecan verici !”

Karanlık madde sinyalini taklit edebilecek radyoaktiviteyi reddetmek için kullanılan LZ Dış Dedektörü araştırın. Kredi: Matthew Cappost/Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi

Süre karanlık madde Parçacıklar aslında algılanmaz, daha uzun süre doğru olmayabilirler. Geri sayım, LZ için yapılan ilk 60 “canlı” test gününden elde edilen sonuçlarla başlamış olabilir. Bu veriler, Aralık ayının sonunda başlayan ilk operasyonların üç buçuk ayı boyunca toplandı. Bu, dedektörün tüm taraflarının düzgün çalıştığından emin olmak için yeterince uzundu.

Görünmez olmasına rağmen, ışığı yaymadığı, emmediği veya dağıtmadığı için, karanlık maddenin varlığı ve yerçekimi yine de evreni anlamamız için temeldir. Örneğin, evrenin toplam kütlesinin yaklaşık yüzde 85’i olduğu tahmin edilen karanlık maddenin varlığı, galaksilerin şeklini ve hareketini şekillendiriyor ve araştırmacılar, büyük ölçekli yapı hakkında bilinenleri açıklamak için bundan alıntı yapıyorlar. ve evreni genişletiyor.

On ton ultra saf sıvı ksenon ile doldurulmuş iki iç içe titanyum tank, LZ karanlık madde dedektörünün çekirdeğinden gelen loş ışık kaynaklarını tespit edebilen iki dizi fotoçoğaltıcı tüp (PMT) tarafından görüntülenebilir. Titanyum tanklar, karanlık madde sinyalini taklit edebilecek parçacıkları yakalamak için daha büyük bir dedektör sistemine yerleştirilmiştir.

LZ dedektörünün şeması. Kredi: LZ تعاون İşbirliği

Berkeley Laboratuvarı Fizik Bölümü direktörü Natalie Palanque Delabruille, “Bu karmaşık dedektörün karanlık maddenin neyden yapıldığına dair uzun süredir devam eden sorunu çözmeye hazır olduğunu görmekten çok memnunum” dedi. “Team LZ artık bunu yapmak için en iddialı araca sahip!”

LUX-ZEPLIN dedektör tasarımı, üretimi ve kurulum aşamaları, ABD, İngiltere, Portekiz ve Güney Kore’deki 35’ten fazla kurumdan 250 bilim insanı ve mühendisten oluşan uluslararası bir ekiple birlikte Berkeley Laboratuvarı Proje Müdürü Gil Gilchriese tarafından yönetildi. LZ’nin Operasyon Direktörü, Berkeley Lab’den Simon Fiorucci’dir. Birlikte, karanlık maddenin ilk doğrudan kanıtını veya evrendeki sözde kayıp kütleyi kaydetmek için aracı kullanmayı umuyorlar.

Henrique Araujo,[{” attribute=””>Imperial College London, leads the UK groups and previously the last phase of the UK-based ZEPLIN-III program. He worked very closely with the Berkeley team and other colleagues to integrate the international contributions. “We started out with two groups with different outlooks and ended up with a highly tuned orchestra working seamlessly together to deliver a great experiment,” Araújo said.

An underground detector

Tucked away about a mile underground at SURF in Lead, South Dakota, LUX-ZEPLIN is designed to capture dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs). The experiment is underground to protect it from cosmic radiation at the surface that could drown out dark matter signals.

Particle collisions in the xenon produce visible scintillation or flashes of light, which are recorded by the PMTs, explained Aaron Manalaysay from Berkeley Lab who, as physics coordinator, led the collaboration’s efforts to produce these first physics results. “The collaboration worked well together to calibrate and to understand the detector response,” Manalaysay said. “Considering we just turned it on a few months ago and during COVID restrictions, it is impressive we have such significant results already.”

When a WIMP – a hypothetical dark matter particle – collides with a xenon atom, the xenon atom emits a flash of light (gold) and electrons. The flash of light is detected at the top and bottom of the liquid xenon chamber. An electric field pushes the electrons to the top of the chamber, where they generate a second flash of light (red). LZ will be searching for a particular sequence of flashes that cannot be due to anything other than WIMPs. Credit: LZ/SLAC

The collisions will also knock electrons off xenon atoms, sending them to drift to the top of the chamber under an applied electric field where they produce another flash permitting spatial event reconstruction. The characteristics of the scintillation help determine the types of particles interacting in the xenon.

The South Dakota Science and Technology Authority, which manages SURF through a cooperative agreement with the U.S. Department of Energy, secured 80 percent of the xenon in LZ. Funding came from the South Dakota Governor’s office, the South Dakota Community Foundation, the South Dakota State University Foundation, and the University of South Dakota Foundation.

Mike Headley, executive director of SURF Lab, said, “The entire SURF team congratulates the LZ Collaboration in reaching this major milestone. The LZ team has been a wonderful partner and we’re proud to host them at SURF.”

Chemists at Brookhaven Lab used this custom-made vacuum distillation system to purify linear alkyl benzene needed to produce liquid scintillator for the LZ dark matter experiment. Credit: Brookhaven Lab

Fiorucci said the onsite team deserves special praise at this startup milestone, given that the detector was transported underground late in 2019, just before the onset of the COVID-19 pandemic. He said with travel severely restricted, only a few LZ scientists could make the trip to help on site. The team in South Dakota took excellent care of LZ.

“I’d like to second the praise for the team at SURF and would also like to express gratitude to the large number of people who provided remote support throughout the construction, commissioning and operations of LZ, many of whom worked full time from their home institutions making sure the experiment would be a success and continue to do so now,” said Tomasz Biesiadzinski of SLAC, the LZ detector operations manager.

“Lots of subsystems started to come together as we started taking data for detector commissioning, calibrations and science running. Turning on a new experiment is challenging, but we have a great LZ team that worked closely together to get us through the early stages of understanding our detector,” said David Woodward from Pennsylvania State University who coordinates the detector run planning.

The LZ central detector in the clean room at Sanford Underground Research Facility after assembly, before beginning its journey underground. Credit: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility

Maria Elena Monzani of SLAC, the Deputy Operations Manager for Computing and Software, said “We had amazing scientists and software developers throughout the collaboration, who tirelessly supported data movement, data processing, and simulations, allowing for a flawless commissioning of the detector. The support of NERSC [National Energy Research Scientific Computing Center] Çok değerliydi.”

Lesko, LZ’nin ve sistemlerinin başarılı bir şekilde çalıştığını teyit ederek, bir karanlık madde parçacığının ksenon ile çarpışması umuduyla büyük ölçekli gözlemlere başlamanın zamanının geldiğini söyledi.[{” attribute=””>atom in the LZ detector very soon.

LZ is supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics and the National Energy Research Scientific Computing Center, a DOE Office of Science user facility. LZ is also supported by the Science & Technology Facilities Council of the United Kingdom; the Portuguese Foundation for Science and Technology; and the Institute for Basic Science, Korea. Over 35 institutions of higher education and advanced research provided support to LZ. The LZ collaboration acknowledges the assistance of the Sanford Underground Research Facility.