Erfolg! Erste Ergebnisse des weltweit empfindlichsten Detektors für dunkle Materie

Forscher des Berkeley Lab verzeichnen die erfolgreiche Inbetriebnahme des LUX-ZEPLIN-Detektors für dunkle Materie in der Sanford Underground Research Facility

Innovativer und einzigartig empfindlicher Detektor für dunkle Materie Luxuriöser Zeppelin Experiment (LZ) – Start-Logout-Phase bestanden und erste Ergebnisse geliefert. LZ liegt tief in den Black Hills von South Dakota Unterirdische Forschungseinrichtung von Sanford (SURF) und wird vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) des Energieministeriums geleitet.

„Wir sind bereit und alles sieht gut aus“, sagte Kevin Lesko, Chefphysiker von Berkeley Lab und ehemaliger LZ-Sprecher. „Es ist ein komplexer Detektor mit vielen Teilen, die alle innerhalb der Erwartungen gut funktionieren“, sagte er.

In einem am 7. Juli veröffentlichten Papier über das Experiment WebseiteLZ-Wissenschaftler berichten, dass LZ mit der Inbetriebnahme bereits zum weltweit empfindlichsten Detektor für dunkle Materie geworden ist. Das Papier wird zu einem späteren Zeitpunkt im Online-Preprint-Archiv arXiv.org erscheinen. LZ-Sprecher Hugh Lippincott von der University of California, Santa Barbara, sagte: „Wir planen, in den kommenden Jahren etwa 20-mal so viele Daten zu sammeln, also fangen wir gerade erst an. Es gibt viel zu tun, was sehr spannend ist !“

Erforschen Sie den äußeren LZ-Detektor, der verwendet wird, um Radioaktivität zurückzuweisen, die ein Signal dunkler Materie nachahmen könnte. Bildnachweis: Matthew Capost/Sanford Underground Research Facility

Während Dunkle Materie Die Partikel werden nicht wirklich erkannt, sie können nicht mehr lange wahr sein. Der Countdown hat möglicherweise bereits mit den Ergebnissen der ersten 60 „Live“-Testtage für LZ begonnen. Diese Daten wurden über einen Zeitraum von dreieinhalb Monaten nach Inbetriebnahme ab Ende Dezember gesammelt. Dies war lang genug, um sicherzustellen, dass alle Seiten des Detektors ordnungsgemäß funktionierten.

Obwohl sie unsichtbar ist, weil sie kein Licht emittiert, absorbiert oder streut, sind die Existenz dunkler Materie und die Anziehungskraft dennoch grundlegend für unser Verständnis des Universums. Beispielsweise formt das Vorhandensein von Dunkler Materie, die schätzungsweise etwa 85 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmacht, die Form und Bewegung von Galaxien, und Forscher zitieren sie, um zu erklären, was über die großräumige Struktur bekannt ist. und das Universum erweitern.

Zwei verschachtelte Titantanks, die mit zehn Tonnen ultrareinem flüssigem Xenon gefüllt sind, können durch zwei Anordnungen von Photomultiplier-Röhren (PMTs) betrachtet werden, die in der Lage sind, schwache Lichtquellen aus dem Kern des LZ-Detektors für dunkle Materie zu erkennen. Titantanks befinden sich in einem größeren Detektorsystem, um Partikel einzufangen, die ein Signal dunkler Materie nachahmen können.

Schema des LZ-Detektors. Bildnachweis: LZ تعاون Zusammenarbeit

„Ich freue mich, dass dieser komplexe Detektor bereit ist, das seit langem bestehende Problem anzugehen, woraus dunkle Materie besteht“, sagte Natalie Palanque Delabruille, Direktorin der Abteilung für Physik am Berkeley Lab. „Team LZ hat jetzt das ehrgeizigste Werkzeug dafür!“

Design, Herstellung und Installation des LUX-ZEPLIN-Detektors wurden von Gil Gilchriese, Projektmanager des Berkeley Lab, in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team von 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus mehr als 35 Institutionen in den USA, Großbritannien, Portugal und Südkorea geleitet. Betriebsleiter von LZ ist Simon Fiorucci von Berkeley Lab. Gemeinsam hoffen sie, mit dem Instrument den ersten direkten Nachweis von Dunkler Materie oder der sogenannten fehlenden Masse im Universum aufzuzeichnen.

Henrique Araujo, von[{“ 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] Es war von unschätzbarem Wert.“

Mit der Bestätigung, dass das LZ und seine Systeme erfolgreich arbeiten, sagte Lesko, ist es an der Zeit, mit groß angelegten Beobachtungen zu beginnen, in der Hoffnung, dass ein Teilchen der Dunklen Materie mit Xenon kollidiert.[{“ 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.