Los investigadores registran la puesta en marcha exitosa del detector de materia oscura en una instalación de investigación subterránea


En las profundidades de las Colinas Negras de Dakota del Sur, en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF), un detector de materia oscura innovador y excepcionalmente sensible, el experimento LUX-ZEPLIN (LZ), dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha superado un la fase de verificación de las operaciones de puesta en marcha y entregó los primeros resultados.

El mensaje final de esta exitosa puesta en marcha: «Estamos listos y todo se ve bien», dijo Kevin Lesko, físico senior de Berkeley Lab y ex vocero de LZ. «Es un detector complejo con muchas partes y todas funcionan bien dentro de las expectativas», dijo.

En un artículo publicado hoy en línea en el sitio web del experimento, los investigadores de LZ informan que con la ejecución inicial, LZ ya es el detector de materia oscura más sensible del mundo. El documento aparecerá en el archivo de preimpresión en línea arXiv.org más tarde hoy. El portavoz de LZ, Hugh Lippincott, de la Universidad de California en Santa Bárbara, dijo: «Planeamos recopilar unas 20 veces más datos en los próximos años, por lo que solo estamos comenzando. Hay mucha ciencia por hacer y es muy emocionante».

En realidad, nunca se han detectado partículas de materia oscura, pero tal vez no por mucho más tiempo. La cuenta regresiva puede haber comenzado con los resultados de los primeros 60 «días en vivo» de pruebas de LZ. Estos datos se recopilaron durante un período de tres meses y medio de operaciones iniciales a partir de fines de diciembre. Este fue un período lo suficientemente largo como para confirmar que todos los aspectos del detector funcionaban bien.

Mirando hacia el detector exterior LZ, utilizado para vetar la radiactividad que puede imitar una señal de materia oscura. Crédito: Matthew Kapust/Instalación subterránea de investigación de Sanford

Invisible, porque no emite, absorbe ni dispersa la luz, la presencia de la materia oscura y la atracción gravitatoria son fundamentales para nuestra comprensión del universo. Por ejemplo, la presencia de materia oscura, estimada en alrededor del 85 por ciento de la masa total del universo, da forma a la forma y el movimiento de las galaxias, y los investigadores la invocan para explicar lo que se sabe sobre la estructura y expansión a gran escala. del universo.

El corazón del detector de materia oscura LZ se compone de dos tanques de titanio anidados llenos de diez toneladas de xenón líquido muy puro y vistos por dos conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT) capaces de detectar fuentes de luz débiles. Los tanques de titanio residen en un sistema detector más grande para atrapar partículas que podrían imitar una señal de materia oscura.

«Estoy encantado de ver este detector complejo listo para abordar el problema de larga data de qué está hecha la materia oscura», dijo la directora de la División de Física del Laboratorio de Berkeley, Nathalie Palanque-Delabrouille. «El equipo de LZ ahora tiene a mano el instrumento más ambicioso para hacerlo».

(Izquierda) Un esquema del detector LZ. (Derecha) Ilustración de la operación LZ: las partículas interactúan en xenón líquido, liberando un destello de luz y carga que son recolectadas por conjuntos de tubos fotomultiplicadores en la parte superior e inferior. Crédito: esquema izquierdo: colaboración LZ. Imagen derecha: LZ/SLAC

Las fases de diseño, fabricación e instalación del detector LZ fueron dirigidas por el director del proyecto de Berkeley Lab, Gil Gilchriese, junto con un equipo internacional de 250 científicos e ingenieros de más de 35 instituciones de EE. UU., Reino Unido, Portugal y Corea del Sur. El gerente de operaciones de LZ es Simon Fiorucci de Berkeley Lab. Juntos, la colaboración espera usar el instrumento para registrar la primera evidencia directa de materia oscura, la llamada masa faltante del cosmos.

Henrique Araújo, del Imperial College London, dirige los grupos del Reino Unido y anteriormente la última fase del programa ZEPLIN-III con sede en el Reino Unido. Trabajó muy de cerca con el equipo de Berkeley y otros colegas para integrar las contribuciones internacionales. «Comenzamos con dos grupos con diferentes puntos de vista y terminamos con una orquesta muy afinada que trabajaba a la perfección para ofrecer un gran experimento», dijo Araújo.

Un detector subterráneo

Escondido aproximadamente a una milla bajo tierra en SURF en Lead, S.D., LZ está diseñado para capturar materia oscura en forma de partículas masivas de interacción débil (WIMP). El experimento está bajo tierra para protegerlo de la radiación cósmica en la superficie que podría ahogar las señales de materia oscura.

Las colisiones de partículas en el xenón producen centelleos visibles o destellos de luz, que son registrados por los PMT, explicó Aaron Manalaysay de Berkeley Lab, quien como coordinador de física dirigió los esfuerzos de la colaboración para producir estos primeros resultados de física. «La colaboración funcionó bien en conjunto para calibrar y comprender la respuesta del detector», dijo Manalaysay. «Teniendo en cuenta que acabamos de encenderlo hace unos meses y durante las restricciones de COVID, es impresionante que ya tengamos resultados tan significativos».

Las colisiones también eliminarán los electrones de los átomos de xenón, enviándolos a la deriva hacia la parte superior de la cámara bajo un campo eléctrico aplicado donde producen otro destello que permite la reconstrucción del evento espacial. Las características del centelleo ayudan a determinar los tipos de partículas que interactúan en el xenón.

Mike Headley, director ejecutivo de SURF Lab, dijo: «Todo el equipo de SURF felicita a LZ Collaboration por alcanzar este importante hito. El equipo de LZ ha sido un socio maravilloso y estamos orgullosos de recibirlos en SURF».

Fiorucci dijo que el equipo en el sitio merece un elogio especial en este hito de inicio, dado que el detector fue transportado bajo tierra a fines de 2019, justo antes del inicio de la pandemia de COVID-19. Dijo que con los viajes severamente restringidos, solo unos pocos científicos de LZ podrían hacer el viaje para ayudar en el sitio. El equipo de Dakota del Sur cuidó excelentemente a LZ.

«Me gustaría secundar los elogios para el equipo de SURF y también me gustaría expresar mi gratitud a la gran cantidad de personas que brindaron apoyo remoto durante la construcción, puesta en marcha y operaciones de LZ, muchas de las cuales trabajaron a tiempo completo desde su hogar. instituciones que se aseguran de que el experimento sea un éxito y continúen haciéndolo ahora», dijo Tomasz Biesiadzinski de SLAC, gerente de operaciones del detector LZ.

El detector central LZ en la sala limpia de las Instalaciones de Investigación Subterráneas de Sanford después del ensamblaje, antes de comenzar su viaje bajo tierra. Crédito: Matthew Kapust, Centro de Investigación Subterráneo de Sanford

«Muchos subsistemas comenzaron a unirse cuando comenzamos a tomar datos para la puesta en marcha del detector, las calibraciones y la ejecución científica. Activar un nuevo experimento es un desafío, pero tenemos un gran equipo LZ que trabajó en estrecha colaboración para ayudarnos a superar las primeras etapas de comprensión. nuestro detector», dijo David Woodward de la Universidad Estatal de Pensilvania, quien coordina la planificación del funcionamiento del detector.

Maria Elena Monzani de SLAC, subgerente de operaciones de computación y software, dijo: «Tuvimos científicos y desarrolladores de software increíbles durante toda la colaboración, quienes apoyaron incansablemente el movimiento de datos, el procesamiento de datos y las simulaciones, lo que permitió una puesta en marcha impecable del detector. El apoyo de NERSC [Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética] fue invaluable».

Con la confirmación de que LZ y sus sistemas están funcionando con éxito, dijo Lesko, es hora de que comiencen las observaciones a gran escala con la esperanza de que una partícula de materia oscura colisione con un átomo de xenón en el detector LZ muy pronto.

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