Succes! Eerste resultaten van ’s werelds meest gevoelige donkeremateriedetector

Onderzoekers van Berkeley Lab registreren succesvolle opstart van de LUX-ZEPLIN-detector voor donkere materie in de ondergrondse onderzoeksfaciliteit van Sanford

Innovatieve en uniek gevoelige donkeremateriedetector Luxe Zeppelin Experiment (LZ) – Geslaagd voor de opstart-logout-fase en leverde de eerste resultaten op. LZ ligt diep in de Black Hills van South Dakota in Sanford ondergrondse onderzoeksfaciliteit (SURF) en wordt geleid door het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) van het Department of Energy.

“We zijn er klaar voor en alles ziet er goed uit”, zegt de hoofdfysicus van Berkeley Lab en voormalig LZ-woordvoerder Kevin Lesko. “Het is een complexe detector met veel onderdelen en ze werken allemaal goed binnen de verwachtingen”, zei hij.

In een paper gepubliceerd op 7 juli over het experiment websiteLZ-wetenschappers melden dat LZ met de eerste operatie al ’s werelds meest gevoelige donkere-materiedetector is geworden. De paper zal op een later tijdstip verschijnen in het online preprint archief arXiv.org. LZ-woordvoerder Hugh Lippincott van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, zei: “We zijn van plan de komende jaren ongeveer 20 keer zoveel gegevens te verzamelen, dus we zijn nog maar net begonnen. Er moet nog veel wetenschappelijk onderzoek worden gedaan, wat erg spannend is !”

Onderzoek de LZ Outer Detector, die wordt gebruikt om radioactiviteit af te wijzen die een signaal van donkere materie zou kunnen nabootsen. Krediet: Matthew Capost/Sanford Underground Research Facility

Terwijl donkere materie De deeltjes worden niet echt gedetecteerd, ze zijn misschien niet veel langer waar. Het aftellen is misschien al begonnen met de resultaten van de eerste 60 “live” testdagen voor LZ. Deze gegevens werden verzameld gedurende drie en een halve maand van de eerste operaties die eind december begonnen. Dit was lang genoeg om er zeker van te zijn dat alle kanten van de detector goed werkten.

Hoewel het onzichtbaar is, omdat het geen licht uitstraalt, absorbeert of verstrooit, zijn het bestaan ​​van donkere materie en de zwaartekracht niettemin fundamenteel voor ons begrip van het universum. De aanwezigheid van donkere materie, die naar schatting ongeveer 85 procent van de totale massa van het universum uitmaakt, bepaalt bijvoorbeeld de vorm en beweging van sterrenstelsels, en onderzoekers noemen het om uit te leggen wat er bekend is over de grootschalige structuur. en het uitdijen van het heelal.

Twee geneste titanium tanks gevuld met tien ton ultrazuiver vloeibaar xenon kunnen worden bekeken door twee arrays van fotomultiplicatorbuizen (PMT’s) die in staat zijn om zwakke lichtbronnen te detecteren vanuit de kern van de LZ-donkeremateriedetector. Titaniumtanks bevinden zich in een groter detectorsysteem om deeltjes op te vangen die een signaal van donkere materie kunnen nabootsen.

Schema van de LZ-detector. Credit: LZ تعاون Samenwerking

“Ik ben verheugd om te zien dat deze complexe detector klaar is om het al lang bestaande probleem aan te pakken van waaruit donkere materie is gemaakt”, zegt Natalie Palanque Delabbrille, directeur van het Department of Physics van Berkeley Lab. “Team LZ heeft nu de meest ambitieuze tool om dit te doen!”

De ontwerp-, fabricage- en installatiefasen van de LUX-ZEPLIN detector werden geleid door Berkeley Lab Project Manager Gil Gilchriese in samenwerking met een internationaal team van 250 wetenschappers en ingenieurs van meer dan 35 instellingen in de VS, het VK, Portugal en Zuid-Korea. De Operationeel Directeur van LZ is Simon Fiorucci van Berkeley Lab. Samen hopen ze het instrument te gebruiken om het eerste directe bewijs van donkere materie, oftewel de zogenaamde ontbrekende massa in het heelal, vast te leggen.

Henrique Araujo, uit[{” 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] Het was van onschatbare waarde.”

Met de bevestiging dat de LZ en zijn systemen succesvol werken, zei Lesko, is het tijd om grootschalige waarnemingen te beginnen in de hoop dat een donkere materiedeeltje botst met xenon.[{” 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.