O detector de matéria escura LUX-ZEPLIN (LZ), que em breve começará sua busca pelas partículas indescritíveis que se acredita serem responsáveis ​​pela maioria da matéria no universo, teve seu primeiro par de "olhos" entregue quinta-feira.

A primeira das duas grandes matrizes de tubos fotomultiplicadores (PMTs) - poderosos sensores de luz que podem detectar o mais fraco dos flashes - completou um 2, Viagem de 000 milhas de caminhão de Rhode Island ao Sanford Underground Research Facility (SURF) em Lead, Dakota do Sul, onde LZ está programado para começar sua pesquisa de matéria escura em 2020.

A segunda matriz chegará em janeiro. Quando o detector LZ for concluído e ligado, as matrizes PMT manterão uma vigilância cuidadosa sobre o tanque de xenônio líquido de 10 toneladas de LZ, procurando pelos clarões gêmeos reveladores de luz produzidos se uma partícula de matéria escura colidir com um átomo de xenônio dentro do tanque.

Uma equipe de pesquisadores e técnicos da Brown University passou os últimos seis meses montando meticulosamente as duas matrizes, cada um com cerca de 5 pés de diâmetro e segurando um total de 494 PMTs.

"A entrega dessas matrizes é o auge de um enorme esforço de montagem que tivemos que executar aqui em nossa sala limpa, "disse Rick Gaitskell, um professor de física na Brown University que supervisionou a construção das matrizes. "Nos últimos dois anos, temos garantido que cada peça que vai para os dispositivos funcione conforme o esperado. Só assim podemos ter certeza de que tudo funcionará da maneira que desejamos quando o detector for ligado. "

A equipe Brown trabalhou com pesquisadores e engenheiros do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e do Imperial College London para projetar, adquirir, teste, e montar todos os componentes da matriz. Teste dos PMTs, que são fabricados pela Hamamatsu Corp. no Japão, foi apresentada na Brown e no Imperial College.

"A entrega da primeira série de PMTs para LZ para SURF é um marco crítico para o Projeto LZ, "disse Murdock" Gil "Gilchriese do Laboratório de Berkeley, quem é o diretor do projeto LZ.

Em preparação para a chegada das matrizes PMT, pesquisadores da SURF já vinham trabalhando com matrizes de protótipos para praticar a conexão de PMTs a uma sequência complexa de cabeamento. A montagem real desses cabos nos PMTs ocorrerá em uma sala limpa na SURF.

Ninguém sabe exatamente o que é matéria escura. Os cientistas podem ver os efeitos de sua gravidade na rotação das galáxias e na forma como a luz se curva enquanto viaja pelo universo, mas ninguém detectou diretamente uma partícula de matéria escura. O principal candidato teórico para uma partícula de matéria escura é o WIMP, ou partícula massiva de interação fraca. WIMPs não podem ser vistos porque não absorvem, emitir, ou refletir luz. E eles interagem com a matéria normal apenas em ocasiões muito raras, É por isso que são tão difíceis de detectar, mesmo quando milhões deles podem estar viajando pela Terra a cada segundo.

O experimento LZ, uma colaboração de mais de 250 cientistas de 38 instituições em todo o mundo, visa capturar uma daquelas interações WIMP fugazmente raras, e, assim, caracterizar as partículas que se pensa constituírem mais de 80% da matéria do universo. O detector será o mais sensível já construído:100 vezes mais sensível do que o detector LUX, que envolveu sua pesquisa de matéria escura na SURF em 2016.

As matrizes PMT são uma parte crítica do experimento. Cada PMT é um cilindro de 15 centímetros de comprimento que tem aproximadamente o diâmetro de uma lata de refrigerante. Para formar matrizes grandes o suficiente para monitorar todo o alvo de xenônio LZ, centenas de PMTs são montados juntos em uma matriz circular de titânio. A matriz que ficará no topo do alvo de xenônio tem 253 PMTs, enquanto a matriz inferior tem 241.

PMTs são projetados para amplificar sinais de luz fraca. Quando fótons individuais (partículas de luz) entram em um PMT, eles atingem um fotocátodo. Se o fóton tiver energia suficiente, faz com que o fotocátodo ejete um ou mais elétrons. Esses elétrons então atingem um eletrodo, que ejeta mais elétrons. Em cascata através de uma série de eletrodos, o sinal original é amplificado por um fator de 1 milhão para criar um sinal detectável.

Os arrays PMT da LZ precisarão de cada bit dessa sensibilidade para capturar os flashes associados a uma interação WIMP.

"Poderíamos estar procurando eventos que emitem apenas 20 fótons em um enorme tanque contendo 10 toneladas de xenônio, que é algo que o sistema visual humano não seria capaz de fazer, "Gaitskell disse." Mas é algo que essas matrizes podem fazer, e vamos precisar que eles façam isso para ver o sinal de eventos de partículas raras. "

Os fótons são produzidos pelo que é conhecido como evento de recuo nuclear, que produz dois flashes distintos. O primeiro ocorre no momento em que um WIMP colide com um núcleo de xenônio. O segundo, que vem algumas centenas de microssegundos depois, é produzido pelo ricochete do átomo de xenônio que foi atingido. Ele salta para os átomos que o cercam, que libera alguns elétrons. Os elétrons são então levados por um campo elétrico para o topo do tanque, onde alcançam uma fina camada de gás xenônio que os converte em luz.

Para que esses pequenos flashes sejam distinguíveis de eventos de fundo indesejados, o detector precisa ser protegido de raios cósmicos e outros tipos de radiação, que também faz com que o xenônio líquido acenda. É por isso que o experimento acontece no subsolo na SURF, uma antiga mina de ouro, onde o detector será protegido por cerca de uma milha de rocha para limitar a interferência.

A necessidade de limitar a interferência também é o motivo pelo qual a equipe da Brown University era obcecada por limpeza enquanto montava os arrays. O principal inimigo da equipe era pura poeira velha.

"Quando você está lidando com um instrumento que é tão sensível como LZ, de repente, coisas com as quais você normalmente não se importaria antes se tornam muito sérias, "disse Casey Rhyne, um estudante de graduação da Brown University que teve um papel importante na construção dos arrays. "Um dos maiores desafios que tivemos de enfrentar foi minimizar os níveis de poeira no ambiente durante a montagem."

Cada partícula de poeira carrega uma quantidade minúscula de urânio radioativo e produtos de decomposição de tório. A radiação é extremamente pequena e não representa uma ameaça para as pessoas, mas muitos desses pontos dentro do detector LZ podem ser o suficiente para interferir com um sinal WIMP.

Na verdade, o orçamento de poeira para o experimento LZ exige que não mais do que um grama de poeira seja contido em todo o instrumento de 10 toneladas. Por causa de todos os seus cantos e recantos, as matrizes PMT poderiam ser coletores de poeira significativos se não houvesse o cuidado de mantê-las limpas durante a construção.

A equipe da Brown University realizou a maior parte de seu trabalho em uma sala limpa "classe 1000", que não permite mais do que 1, 000 partículas microscópicas de poeira por pé cúbico de espaço. E dentro dessa sala limpa havia um espaço ainda mais puro que a equipe apelidou de "PALACE (PMT Array Lifting And Commissioning Enclosure)". O PALACE era essencialmente uma sala ultralimpa, onde grande parte da montagem do array real acontecia. O PALACE era um espaço de "classe 10" - não permitindo mais do que 10 partículas de poeira maiores que 1 centésimo da largura de um cabelo humano por pé cúbico.

Mas as preocupações com a radiação não pararam na poeira. Antes do início da montagem das matrizes, a equipe examinou previamente todas as partes de cada tubo PMT para avaliar os níveis de radiação.

“Pedimos que Hamamatsu nos enviasse todos os materiais que iriam usar para a construção da PMT, e os colocamos em um detector subterrâneo de germânio, "disse Samuel Chan, um estudante de graduação e líder da equipe do sistema PMT. "Este detector é muito bom para detectar a radiação que os materiais de construção estão emitindo. Se os níveis de radiação intrínseca fossem baixos o suficiente nesses materiais, então dissemos a Hamamatsu para ir em frente e usá-los na fabricação desses PMTs. "

A equipe está esperançosa de que todo o trabalho realizado nos últimos seis meses pague dividendos quando a LZ iniciar sua pesquisa WIMP.

"Conseguir tudo agora terá um grande impacto em menos de dois anos, quando ligamos o detector completo e estamos pegando dados, "Gaitskell disse." Seremos capazes de ver diretamente a partir desses dados o quão bom foi o trabalho que nós e outras pessoas fizemos. "

Dado o grande aumento na sensibilidade de pesquisa de matéria escura que o detector LZ pode fornecer em comparação com todos os experimentos anteriores, a equipe espera que este detector finalmente identifique e caracterize o vasto mar de coisas que nos rodeia. Até aqui, a coisa escura permaneceu irritantemente evasiva.