A corrida começou para construir o experimento mais sensível baseado nos EUA, projetado para detectar diretamente as partículas de matéria escura. Funcionários do Departamento de Energia aprovaram formalmente um marco importante de construção que impulsionará o projeto em direção à sua meta de abril de 2020 para conclusão.

O experimento LUX-ZEPLIN (LZ), que será construído a quase um quilômetro abaixo do solo no Sanford Underground Research Facility (SURF) em Lead, SD., é considerada uma das melhores apostas para determinar se as partículas de matéria escura teorizadas conhecidas como WIMPs (partículas massivas de interação fraca) realmente existem. Existem outros candidatos de matéria escura, também, como "axions" ou "neutrinos estéreis, "quais outros experimentos são mais adequados para erradicar ou descartar.

O cronograma de mudança rápida para LZ ajudará os EUA a se manterem competitivos com experimentos de detecção direta de matéria escura de próxima geração planejados na Itália e na China.

Em 9 de fevereiro, o projeto foi aprovado em um estágio de revisão e aprovação do DOE conhecido como Decisão Crítica 3 (CD-3), que aceita o projeto final e inicia formalmente a construção.

"Tentaremos ir o mais rápido possível para ter tudo concluído até abril de 2020, "disse Murdock" Gil "Gilchriese, Diretor de projeto LZ e físico do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab), o laboratório líder do projeto. "Recebemos um endosso muito forte para ir rápido e ser o primeiro." A colaboração LZ agora tem cerca de 220 cientistas e engenheiros participantes que representam 38 instituições em todo o mundo.

A natureza da matéria escura - que os físicos descrevem como o componente invisível ou a chamada "massa ausente" no universo que explicaria os giros mais rápidos do que o esperado das galáxias, e seu movimento em aglomerados observados em todo o universo - iludiu os cientistas desde que sua existência foi deduzida por meio de cálculos do astrônomo suíço Fritz Zwicky em 1933.

A busca para descobrir do que é feita a matéria escura, ou para saber se isso pode ser explicado ajustando as leis conhecidas da física de novas maneiras, é considerada uma das questões mais urgentes da física de partículas.

Sucessivas gerações de experimentos evoluíram para fornecer extrema sensibilidade na busca que irá pelo menos descartar alguns dos prováveis ​​candidatos e esconderijos para a matéria escura, ou pode levar a uma descoberta.

LZ será pelo menos 50 vezes mais sensível para encontrar sinais de partículas de matéria escura do que seu predecessor, o experimento Large Underground Xenon (LUX), que foi removido do SURF no ano passado para dar lugar ao LZ. O novo experimento usará 10 toneladas métricas de xenônio líquido ultra-purificado, para detectar possíveis sinais de matéria escura. Xenon, em sua forma de gás, é um dos elementos mais raros da atmosfera da Terra.

"A ciência é altamente convincente, por isso está sendo perseguido por físicos em todo o mundo, "disse Carter Hall, o porta-voz da colaboração LZ e um professor associado de física da Universidade de Maryland. "É uma competição amigável e saudável, com uma grande descoberta possivelmente em jogo. "

Uma atualização planejada para o experimento XENON1T atual no Laboratório Gran Sasso do Instituto Nacional de Física Nuclear (o experimento XENONnT) na Itália, e os planos da China para avançar o trabalho no PandaX-II, também estão programados para serem experimentos subterrâneos de ponta que usarão o xenônio líquido como meio para buscar um sinal de matéria escura. Espera-se que ambos os projetos tenham um cronograma e escala semelhantes ao LZ, embora os participantes do LZ tenham como objetivo alcançar uma maior sensibilidade à matéria escura do que esses outros contendores.

Hall observou que, embora os WIMPs sejam o principal alvo da LZ e de seus concorrentes, As explorações de LZ em território desconhecido podem levar a uma variedade de descobertas surpreendentes. "As pessoas estão desenvolvendo todos os tipos de modelos para explicar a matéria escura, "disse ele." LZ é otimizado para observar um WIMP pesado, mas também é sensível a alguns cenários menos convencionais. Ele também pode pesquisar outras partículas exóticas e processos raros. "

LZ é projetado para que, se uma partícula de matéria escura colidir com um átomo de xenônio, ele produzirá um rápido flash de luz seguido por um segundo flash de luz quando os elétrons produzidos na câmara de xenônio líquido chegarem ao seu topo. A luz pulsa, captado por uma série de cerca de 500 tubos amplificadores de luz que revestem o enorme tanque - mais de quatro vezes mais do que os instalados no LUX - carregará a impressão digital reveladora das partículas que os criaram.

Daniel Akerib, Thomas Shutt, e Maria Elena Monzani estão liderando a equipe LZ no SLAC National Accelerator Laboratory. O esforço do SLAC inclui um programa para purificar o xenônio para LZ removendo o criptônio, um elemento que normalmente é encontrado em pequenas quantidades com xenônio após processos de refinamento padrão. "Já demonstramos a purificação necessária para LZ e agora estamos trabalhando em maneiras de purificar ainda mais o xenônio para estender o alcance científico de LZ, "Akerib disse.

Os colaboradores do SLAC e do Berkeley Lab também estão desenvolvendo e testando grades de fios tecidos à mão que extraem sinais elétricos produzidos por interações de partículas no tanque de xenônio líquido. Protótipos em tamanho real serão operados ainda este ano em uma plataforma de teste SLAC. "Esses testes são importantes para garantir que as grades não produzam descarga elétrica de baixo nível quando operadas em alta tensão, uma vez que a descarga pode suprimir um sinal fraco da matéria escura, "disse Shutt.

Hugh Lippincott, um Wilson Fellow no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) e o coordenador de física para a colaboração LZ, disse, "Juntamente com o esforço para construir o detector e obter dados o mais rápido possível, também estamos construindo nossas ferramentas de simulação e análise de dados para que possamos entender o que veremos quando o detector ligar. Queremos estar prontos para a física assim que o primeiro flash de luz apareça no xenônio. "O Fermilab é responsável por implementar partes essenciais do sistema crítico que trata, purifica, e resfria o xenônio.

Todos os componentes do LZ são medidos meticulosamente quanto aos níveis de radiação que ocorrem naturalmente para levar em conta possíveis sinais falsos vindos dos próprios componentes. Uma sala limpa de filtragem de poeira está sendo preparada para a montagem do LZ e um prédio de redução de radônio está em construção no local de Dakota do Sul - o radônio é um gás radioativo que ocorre naturalmente e pode interferir na detecção de matéria escura. Essas etapas são necessárias para remover os sinais de fundo tanto quanto possível.

Os vasos que envolverão o xenônio líquido, que são da responsabilidade dos participantes da colaboração do Reino Unido, agora estão sendo montados na Itália. Eles serão construídos com o titânio mais ultra puro do mundo para reduzir ainda mais o ruído de fundo.

Para garantir que partículas indesejadas não sejam mal interpretadas como sinais de matéria escura, A câmara de xenônio líquido do LZ será cercada por outro tanque cheio de líquido e uma matriz separada de tubos fotomultiplicadores que podem medir outras partículas e vetar sinais falsos. O Laboratório Nacional de Brookhaven está lidando com a produção de outro líquido muito puro, conhecido como fluido cintilador, que irá para este tanque.

As salas limpas estarão prontas em junho, Gilchriese disse, e a preparação da caverna onde ficará o LZ está em andamento no SURF. A montagem e instalação no local começarão em 2018, ele adicionou, e todo o xenônio necessário para o projeto já foi entregue ou está sob contrato. Gás xenônio, que é caro de produzir, é usado na iluminação, imagens médicas e anestesia, sistemas de propulsão de veículos espaciais, e a indústria eletrônica.

"Dakota do Sul tem o orgulho de hospedar o experimento LZ na SURF e de contribuir com 80 por cento do xenônio para LZ, "disse Mike Headley, diretor executivo da Autoridade de Ciência e Tecnologia da Dakota do Sul (SDSTA) que supervisiona a SURF. "O trabalho de nossas instalações está em andamento e estamos no caminho certo para dar suporte ao cronograma de LZ."

Cientistas do Reino Unido, que compõem cerca de um quarto da colaboração LZ, estão contribuindo com hardware para a maioria dos subsistemas. Henrique Araújo, do Imperial College London, disse, "Estamos ansiosos para ver tudo se encaixar depois de um longo período de design e planejamento."

Kelly Hanzel, Gerente de projeto LZ e engenheiro mecânico do Berkeley Lab, adicionado, “Contamos com uma excelente colaboração e equipe de engenheiros que se dedicam à ciência e ao sucesso do projeto”. O último marco de aprovação, ela disse, "é provavelmente a etapa mais significativa até agora, ", uma vez que prevê a compra da maioria dos principais componentes dos sistemas de suporte do LZ.