Rozpoczyna się budowa LUX-ZEPLIN, najczulszego wykrywacza ciemnej materii

Amerykański Departament Energii oficjalnie zatwierdził budowę urządzenia, które stworzy najlepszą szansę na znalezienie ciemnej materii. LUX-ZEPLIN (LZ), bo o nim mowa, ma zostać ukończony do kwietnia 2020 roku. To następca opisywanego przez nas urządzenia LUX (Large Underground Xenon).

W lipcu ubiegłego roku informowaliśmy, że LUX zakończył badania, jego czułość przewyższyła wstępne założenia, a mimo tego, nie wykrył on ciemnej materii. LUX został usunięty ze zbiornika w którym się znajdował, by zrobić miejsce dla LUX-ZEPLIN. Oba urządzenia LUX poszukują WIMP-ów, czyli słabo oddziałujących masywnych cząstek, z którym może składać się ciemna materia. Oba korzystają przy tym z ksenonu. O ile jednak w LUX użyto 300 kilogramów ksenonu to LUX-ZEPLIN wykorzysta 10 ton. Między innymi dzięki temu nowe urządzenie będzie co najmniej 50-krotnie bardziej czułe od swojego poprzednika. Udział w projektowaniu i budowie LZ ma 220 naukowców i inżynierów z 38 instytucji na całym świecie.

Eksperyment LZ będzie prowadzony niemal 1,5 kilometra pod ziemią w Sanford Underground Research Facility (SURF) w Lead w Południowej Dakocie. Będzie on konkurował z dwoma innymi eksperymentami. Włosi planują bowiem zwiększenie czułości swojego XENON1T prowadzonego w Laboratorium Gran Sasso, a Chiny przyspieszają prace nad PandaX-II. Oba eksperymenty również będa korzystały z ksenonu i oba mają być gotowe do uruchomienia mniej więcej w tym samym terminie co LZ. LUX-ZEPLIN ma być jednak bardziej czuły, dlatego też to z nim wiązane są największe nadzieje na odpowiedź o istnienie WIMP-ów.

LZ ma wykrywać cząstki wówczas, gdy będą się one zderzały z jądrami ksenonu. Powinno wówczas dojść do rozbłysku światła. Będzie ono przechwytywane przez 500 czujników (4-krotnie więcej niż w LUX), a analiza rozbłysków ma zdradzić charakterystyki cząstek, które się zderzyły.

Obecnie trwają też prace nad oczyszczaniem ksenonu. Są one prowadzone w SLAC National Accelerator Laboratory i polegają na usunięciu kryptonu, którego śladowe ilości pozostają w ksenonie po standardowych procedurach oczyszczających. Pomagają im w tym uczeni z Fermilab, którzy są odpowiedzialni za system oczyszczający i schładzający ksenon. Badania uzyskanych w SLAC pierwszych próbek ksenonu dowiodły, że spełniają one wymagania czystości stawiane przez LZ. SLAC i Berkeley Lab pracują też nad czujnikami, które zostaną wykorzystane w LZ. Jeszcze w bieżącym roku pełnowymiarowe prototypy zostaną sprawdzone na platformie testowej. Tymczasem w Fermilab tworzone są narzędzia do symulacji i analizy danych, które zostaną uzyskane w LZ.

Intensywne prace trwają również w Europie. Brytyjczycy i Włosi są odpowiedzialni za stworzenie i złożenie zbiornika na ksenon. Zostanie on zbudowany z ultra czystego tytanu, co pozwoli na dalszą redukcję szumów tła. Szumu te to jeden z problemów, z którymi trzeba będzie sobie poradzić, dlatego też z jednej strony każdy element LZ jest sprawdzany pod kątem naturalnego promieniowania, by dzięki poznaniu jego charakterystyk można było odfiltrować fałszywe sygnały. Z drugiej zaś strony w SURF budowane są specjalne osłony redukujące promieniowanie naturalnie występującego radonu, a Brookhaven National Laboratory buduje drugi większy zbiornik osłonowy. W zbiorniku tym znajdzie się specjalny płyn, scyntylator, który dodatkowo będzie chronił przed promieniowaniem. Dopiero w nim zostanie zanurzony zbiornik z ksenonem, do którego trafi zasadnicza część detektora WIMP-ów.

LUX-ZEPLIN ciemna materia WIMP