Os cientistas têm uma nova janela para a busca pela matéria escura - um recipiente de acrílico que apresenta um agrupamento de tanques transparentes de 3,5 metros de altura com paredes de 2,5 centímetros de espessura.

Os tanques, que cercará um detector central para um experimento de quase um quilômetro de profundidade em construção na Dakota do Sul chamado LUX-ZEPLIN (LZ), será preenchido com um líquido que produz minúsculos flashes de luz em algumas interações de partículas.

Os cientistas rastrearão esses flashes de luz com um sistema de aquisição de dados e reconstruirão suas fontes prováveis. Além de conter o cintilador líquido, os tanques também servirão como uma proteção para alguns "ruídos" de partículas indesejadas que podem interferir em outras, sinais procurados, e como um sistema de veto - uma espécie de detector de mentiras que pode ajudar os cientistas a separar falsas detecções de matéria escura de uma descoberta real.

Matéria escura, que representa cerca de 85 por cento de toda a matéria do universo, nunca foi visto diretamente, embora os cientistas detectem sua presença por meio de efeitos gravitacionais. As estrelas em galáxias espirais, por exemplo, foram observados se movendo em torno do centro aproximadamente na mesma taxa, mesmo em distâncias muito diferentes, que diz aos cientistas que há algo mais em jogo que causa esse efeito inesperado.

Embora não saibamos do que a matéria escura é composta, o experimento LZ é projetado para caçar um dos principais suspeitos - uma partícula teorizada conhecida como WIMP, ou partícula massiva de interação fraca.

Uma colaboração internacional, envolvendo cerca de 250 cientistas, engenheiros, e técnicos de 38 instituições, está trabalhando em LZ. O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) supervisiona a construção e instalação do LZ. O experimento LZ deve começar a coletar dados em 2020.

Os tanques de acrílico da LZ foram moldados em segmentos para caber no poço do elevador no Sanford Underground Research Facility (SURF), uma antiga mina de ouro em chumbo, Dakota do Sul. LZ ocupará uma caverna recém-renovada em SURF que anteriormente era a casa de seu antecessor menor, o experimento LUX (Large Underground Xenon).

LZ é projetado para ser pelo menos 100 vezes mais sensível a possíveis sinais de partículas de matéria escura do que LUX. O sistema de veto formado pelos tanques de acrílico e uma sequência relacionada de detectores de detecção de luz melhorará a capacidade do LZ de descartar sinais que não sejam de matéria escura.

Os quatro maiores tanques de acrílico da LZ, que são personalizados e contornados, medem 12,3 pés de altura, 7,5 pés de largura, e 3,4 pés de espessura, e pesar 1, 500 libras cada. Dois chegaram ao SURF no início deste mês, e os outros dois serão entregues no próximo mês. Seis tanques menores - três que ficarão em cima do detector principal e três que ficarão abaixo dele - chegarão até o final do ano.

"Parece um sabre de luz gigante cortado em quartos a partir do topo, "disse Harry Nelson, um professor de física da UC Santa Bárbara que supervisiona os esforços dos tanques de acrílico para LZ. Nelson compara os tanques a uma das espadas de luz míticas apresentadas nos filmes de ficção científica de "Guerra nas Estrelas". UC Santa Bárbara atuou como líder técnico para os tanques, supervisionando seu design, fabricação comercial, testando, e transporte.

Os pesquisadores projetaram uma estrutura especial para apoiar e proteger os tanques que permitirá aos trabalhadores manobrar os tanques através do complexo de túneis até seu local de descanso. Um cordame especial anexado a esta estrutura será usado para suspender cada um dos grandes componentes do tanque abaixo do elevador no SURF para sua jornada subterrânea. "Cada segmento será pendurado como um enfeite de feriado na parte inferior do elevador, "Disse Nelson.

Simon Fiorucci, um físico do Berkeley Lab que supervisiona as operações LZ na SURF, disse, "Esta é a primeira instância de instalação significativa de equipamento detector de LZ no laboratório subterrâneo. É um marco importante para o projeto, e é um bom presságio para o ano agitado que temos pela frente. "

Outros experimentos de física também usaram acrílico para reter tanques, Nelson observou, incluindo a embarcação esférica de 3,6 metros do Sudbury Neutrino Observatory em Ontário, Canadá.

No total, os 10 tanques que circundarão o detector central cilíndrico em LZ conterão cerca de 17 toneladas de um cintilador líquido conhecido como alquilbenzeno linear, que é mais comumente usado como ingrediente em detergentes e outros produtos de limpeza. O detector cilíndrico central é construído com titânio de pureza ultra-alta e conterá 10 toneladas de xenônio líquido ultrapurificado, um elemento raro cujos átomos podem emitir rajadas de luz em interações de partículas.

"Pesquisas recentes de matéria escura descobriram que nêutrons podem ser um fundo pernicioso, com a capacidade de imitar um sinal de matéria escura, "disse Carter Hall, Porta-voz do LZ e professor de física na Universidade de Maryland. Os nêutrons são partículas sem carga que residem nos núcleos atômicos. "Os tanques de acrílico e sua carga útil do cintilador líquido fornecerão um poderoso sinal de rejeição de nêutrons para que o LZ não seja enganado."

Como camadas de uma cebola, os tanques de acrílico caberão confortavelmente em torno do detector LZ central e serão cercados por um grande tanque com capacidade para cerca de 60, 000 galões (230 toneladas) de água ultrapura.

"Tudo deve se encaixar dentro da tolerância de um quarto de polegada, "disse Sally Shaw, um pesquisador de pós-doutorado da UC Santa Bárbara que tem trabalhado para garantir que os tanques atendam aos rigorosos requisitos do experimento LZ.

Os tanques foram limpos de dentro para fora antes do envio para o local SURF, ela notou.

"Qualquer radioatividade dentro dos tanques criará luz, "disse ela." Há um procedimento que envolve limpá-los com solventes. Em seguida, usamos água deionizada e pó de limpeza especial, com alguém deitado dentro dos tanques. Envolve muito e muito enxágue, e testar a pureza da água enxaguada. É um grande trabalho. "

Os pesquisadores da UC Santa Bárbara trabalharam em estreita colaboração com o fabricante dos tanques, Reynolds Polymer Technology em Grand Junction, Colo., para projetar e projetar as estruturas robustas usadas para proteger os tanques durante o transporte. As molduras foram pintadas de rosa, A cor favorita de Shaw, em reconhecimento às suas muitas contribuições para o projeto.

Os pesquisadores da LZ embarcaram em muitas viagens ao local de fabricação dos tanques para supervisionar o processo em vários estágios.

Depois que todos os tanques forem baixados para a caverna de pesquisa e para o tanque de água vazio onde o LZ será instalado, eles permanecerão em embalagem protetora até os estágios finais de montagem no final de 2019.