النجاح! النتائج الأولى من أكثر أجهزة الكشف عن المواد المظلمة حساسية في العالم

باحثو مختبر بيركلي يسجلون بدء تشغيل ناجح لكاشف المادة المظلمة LUX-ZEPLIN في مرفق أبحاث سانفورد تحت الأرض

كاشف مبتكر وحساس فريد للمادة المظلمة – لوكس زيبلين (LZ) تجربة – اجتازت مرحلة تسجيل الخروج من عمليات بدء التشغيل وقدمت النتائج الأولى. يقع LZ في أعماق التلال السوداء بجنوب داكوتا في مرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض (SURF) ويقودها مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة (مختبر بيركلي).

قال كبير الفيزيائيين في Berkeley Lab والمتحدث السابق باسم LZ Kevin Lesko: “نحن جاهزون وكل شيء يبدو جيدًا”. “إنه كاشف معقد به أجزاء كثيرة وكلها تعمل بشكل جيد ضمن التوقعات” ، قال.

في ورقة نشرت يوم 7 يوليو على التجربة موقع الكترونيأفاد علماء LZ أنه مع التشغيل الأولي ، أصبح LZ بالفعل أكثر كاشفات المادة المظلمة حساسية في العالم. ستظهر الورقة في أرشيف ما قبل الطباعة على الإنترنت arXiv.org لاحقًا. قال المتحدث باسم إل زد هيو ليبينكوت من جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا: “نخطط لجمع حوالي 20 ضعفًا من البيانات في السنوات القادمة ، لذلك نحن في البداية فقط. هناك الكثير من العلوم التي يجب القيام بها وهو أمر مثير للغاية! “

البحث في LZ Outer Detector ، المستخدم لحق النقض ضد النشاط الإشعاعي الذي يمكن أن يحاكي إشارة المادة المظلمة. الائتمان: ماثيو كابوست / مرفق أبحاث سانفورد تحت الأرض

في حين المادة المظلمة لم يتم اكتشاف الجسيمات فعليًا ، فقد لا تكون صحيحة لفترة أطول. قد يكون العد التنازلي قد بدأ بالفعل بالنتائج من أول 60 يومًا من الاختبار المباشر لـ LZ. تم جمع هذه البيانات على مدى ثلاثة أشهر ونصف من العمليات الأولية التي تبدأ في نهاية ديسمبر. كانت هذه المدة طويلة بما يكفي للتأكد من أن جميع جوانب الكاشف تعمل بشكل صحيح.

على الرغم من أنها غير مرئية ، لأنها لا تصدر الضوء أو تمتصه أو تبعثره ، فإن وجود المادة المظلمة وسحب الجاذبية هما مع ذلك أساسيان لفهمنا للكون. على سبيل المثال ، فإن وجود المادة المظلمة ، والتي تقدر بنحو 85 في المائة من الكتلة الكلية للكون ، يشكل شكل وحركة المجرات ، ويستشهد بها الباحثون لشرح ما هو معروف عن البنية واسعة النطاق. وتوسيع الكون.

خزانان متداخلان من التيتانيوم مملوءان بعشرة أطنان من الزينون السائل النقي للغاية ويمكن مشاهدتهما بواسطة صفيفتين من الأنابيب المضاعفة الضوئية (PMTs) القادرة على اكتشاف المصادر الخافتة للضوء من قلب كاشف المادة المظلمة LZ. توجد خزانات التيتانيوم في نظام كاشف أكبر لالتقاط الجسيمات التي قد تحاكي إشارة المادة المظلمة.

تخطيطي لكاشف LZ. الائتمان: تعاون LZ

قالت ناتالي بالانك ديلابرويل ، مديرة قسم الفيزياء في مختبر بيركلي ، “يسعدني أن أرى هذا الكاشف المعقد جاهزًا لمعالجة القضية طويلة الأمد لما تتكون منه المادة المظلمة”. “يمتلك فريق LZ الآن الأداة الأكثر طموحًا للقيام بذلك!”

تمت قيادة مراحل تصميم وتصنيع وتركيب كاشف LUX-ZEPLIN بواسطة مدير مشروع Berkeley Lab Gil Gilchriese بالاشتراك مع فريق دولي مكون من 250 عالمًا ومهندسًا من أكثر من 35 مؤسسة في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة والبرتغال وكوريا الجنوبية. مدير عمليات LZ هو Simon Fiorucci من Berkeley Lab. يأمل التعاون معًا في استخدام الأداة لتسجيل أول دليل مباشر على المادة المظلمة ، أو ما يسمى بالكتلة المفقودة في الكون.

هنريكي أراوجو ، من[{” 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] كان لا يقدر بثمن “.

قال ليسكو إنه مع التأكيد على أن LZ وأنظمته تعمل بنجاح ، فقد حان الوقت لبدء عمليات الرصد واسعة النطاق على أمل أن يصطدم جسيم المادة المظلمة مع زينون.[{” 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.