LUX-ZEPLIN Dark Matter Detector levert eerste resultaat

Diep onder de Black Hills van South Dakota in de Sanford Underground Research Facility (SURF), heeft een innovatieve en uniek gevoelige donkeremateriedetector - het LUX-ZEPLIN (LZ) -experiment (*), geleid door Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) -  een check-out fase van opstartoperaties doorlopen en lzijn de eerste resultaten afgeleverd.

Bij de foto: De centrale LZ-detector in de cleanroom van de Sanford Underground Research Facility na montage en vooraleer ondergronds te gaan. Foto: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility.

In een artikel - online sinds begin juli - melden onderzoekers dat LZ bij de eerste run al 's werelds meest gevoelige donkeremateriedetector is.

LZ-woordvoerder Hugh Lippincott van de Universiteit van Californië, Santa Barbara zei: "We zijn van plan de komende jaren ongeveer 20 keer meer gegevens te verzamelen, dus we zijn nog maar net begonnen. Er is veel wetenschap te doen en het is erg spannend.”

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) heeft een lange geschiedenis van bijdragen aan LZ en het voorgaande LUX-experiment, inclusief belangrijke rollen in de constructie, werking en analyse van LUX. Het succes van LUX speelde een grote rol bij het motiveren van de stap naar het grotere, meer gevoelige LZ-experiment.

LLNL-fysicus Jingke Xu hield drie jaar lang toezicht op LUX-analyses en publicaties, wat leidde tot meer dan 10 wetenschappelijke publicaties onder zijn toezicht, waarvan LLNL drie van die publicaties leidde. Bovendien ontving Xu een vroege carrièreprijs van het Department of Energy om de gevoeligheid van LZ-achtige detectoren uit te breiden.

“Dit is een mooi resultaat, maar slechts de eerste stap voor LZ. We verwachten de komende jaren nog veel meer spannende resultaten van donkere materie. De verschillende synergetische R&D-activiteiten bij LLNL zullen de zoektocht naar donkere materie van LZ helpen uitbreiden”, aldus Xu.

Bij de foto: Omhoog kijken in de LZ Outer Detector, gebruikt om radioactiviteit te weren dat een signaal van donkere materie kan nabootsen. Foto: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility.

Donkere materiedeeltjes zijn nooit echt gedetecteerd - maar misschien komt daar weldra verandering in. Het aftellen is mogelijk begonnen met de resultaten van LZ's eerste 60 "live dagen" testen. Deze gegevens werden verzameld over een periode van drie en een halve maand van initiële operaties die eind december begonnen. Dit was een periode die lang genoeg was om te bevestigen dat alle aspecten van de detector goed functioneerden.

De aanwezigheid en zwaartekracht van donkere materie, onzichtbaar omdat zij geen licht uitzendt, absorbeert of verstrooit, zijn niettemin van fundamenteel belang voor ons begrip van het heelal. De aanwezigheid van donkere materie, die naar schatting ongeveer 85 procent van de totale massa van het heelal uitmaakt, bepaalt bijvoorbeeld de vorm en beweging van sterrenstelsels, en wordt door onderzoekers aangevoerd om te verklaren wat bekend is over de grootschalige structuur en uitdijing van het heelal.

Het hart van de LZ-detector voor donkere materie bestaat uit twee geneste titaniumtanks gevuld met 10 ton zeer zuivere vloeibare xenon en bekeken door twee arrays van fotomultiplicatorbuizen (PMT's) die zwakke lichtbronnen kunnen detecteren. De titaniumtanks bevinden zich in een groter detectorsysteem om deeltjes te vangen die een signaal van donkere materie kunnen nabootsen.

"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 bestaat", zegt Nathalie Palanque-Delabrouille, directeur van de afdeling Natuurkunde van Berkeley Lab. “Het LZ-team heeft daar nu het meest ambitieuze instrument voor in handen.”

De boodschap van deze succesvolle startup: "We zijn er klaar voor en alles ziet er goed uit", zegt Berkeley Lab senior natuurkundige en voormalig LZ-woordvoerder Kevin Lesko. "Het is een complexe detector met veel onderdelen en ze werken allemaal goed binnen de verwachtingen."

De ontwerp-, fabricage- en installatiefasen van de LZ-detector werden geleid door Berkeley Lab-projectdirecteur Gil Gilchriese in samenwerking met een internationaal team van 250 wetenschappers en ingenieurs van meer dan 35 instellingen uit de VS, het Verenigd Koninkrijk, Portugal en Zuid-Korea. De operations manager van LZ is Simon Fiorucci van Berkeley Lab. Men hoopt de samenwerking rondom instrument te gebruiken om het eerste directe bewijs van donkere materie, de zogenaamde ontbrekende massa van de kosmos, vast te leggen.

Een ondergrondse detector

LZ, dat ongeveer anderhalve kilometer onder de grond ligt bij SURF in Lead, S.D., is ontworpen om donkere materie vast te leggen in de vorm van zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's). Het experiment is ondergronds om het te beschermen tegen kosmische straling aan het oppervlak dat signalen van donkere materie zou kunnen overstemmen.

Deeltjesbotsingen in het xenon produceren zichtbare scintillatie of lichtflitsen, die worden geregistreerd door de PMT's, legde Aaron Manalaysay van Berkeley Lab uit, die als natuurkundig coördinator de inspanningen van de samenwerking leidde om deze eerste natuurkundige resultaten te produceren. "De samenwerking heeft goed gewerkt om de reactie van de detector te kalibreren en te begrijpen", zei hij. "Als je bedenkt dat we hem pas een paar maanden geleden hebben aangezet en tijdens de COVID-beperkingen, is het indrukwekkend dat we nu al zulke belangrijke resultaten hebben."

De botsingen zullen ook elektronen van xenon-atomen afstoten, waardoor ze naar de top van de kamer worden gestuurd onder een aangelegd elektrisch veld waar ze een nieuwe flits produceren die reconstructie van ruimtelijke gebeurtenissen mogelijk maakt. De kenmerken van de scintillatie helpen bij het bepalen van de soorten deeltjes die in het xenon op elkaar inwerken.

De South Dakota Science and Technology Authority, die SURF beheert via een samenwerkingsovereenkomst met het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft 80 procent van het xenon in LZ veilig gesteld. De financiering kwam van het kantoor van de gouverneur van South Dakota, de South Dakota Community Foundation, de South Dakota State University Foundation en de University of South Dakota Foundation.

Mike Headley, directeur van SURF Lab: “Het hele SURF-team feliciteert de LZ-samenwerking met het bereiken van deze belangrijke mijlpaal. Het LZ-team is een geweldige partner geweest en we zijn er trots op hen te mogen verwelkomen bij SURF.”

Fiorucci zei dat het team ter plaatse speciale lof verdient bij deze opstartmijlpaal, aangezien de detector eind 2019 ondergronds werd vervoerd, net voor het begin van de COVID-19-pandemie. Hij zei dat met reizen die ernstig beperkt waren, slechts een paar LZ-wetenschappers de reis konden maken om te helpen.

“Ik wil de lof voor het team van SURF delen en ook mijn dank uitspreken aan het grote aantal mensen dat op afstand ondersteuning heeft geboden tijdens de bouw, inbedrijfstelling en exploitatie van LZ, van wie velen fulltime vanuit huis werkten instellingen die ervoor zorgden dat het experiment een succes zou worden en dat nu nog zullen doen”, zegt Tomasz Biesiadzinski van SLAC, de operations manager van de LZ-detector.

Met de bevestiging dat LZ en zijn systemen succesvol werken, is het tijd voor waarnemingen op ware grootte in de hoop dat een donkeremateriedeeltje zeer binnenkort zal botsen met een xenon-atoom in de LZ-detector.

LZ wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, het Office of Science, het Office of High Energy Physics en het National Energy Research Scientific Computing Center, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. LZ wordt ook ondersteund door de Science & Technology Facilities Council van het Verenigd Koninkrijk; de Portugese Stichting voor Wetenschap en Technologie; en het Institute for Basic Science, Korea. Ruim 35 instellingen voor hoger onderwijs en geavanceerd onderzoek hebben LZ ondersteund. De LZ-samenwerking erkent de hulp van de Sanford Underground Research Facility.

Vertaler: Jan Vyvey
Bron: LLNL – Lawrence Livermore National Laboratort

(*) https://lz.lbl.gov/ (engelstalig)