Detectorul subteran LUX-ZEPLIN, o speranță de a observa în sfârșit materia întunecată

Fizicienii nu înțeleg pe deplin ce reprezintă aproximativ 83% din materia universului, adică ceva ce numim ”materie întunecată”. Totuşi, cu ajutorul unui rezervor plin cu xenon care se află îngropat la aproape o milă sub Dakota de Sud poate că vom putea să înţelegem într-o zi ce este cu adevărat materia întunecată.

În modelul clasic al universului, materia întunecată reprezintă cea mai mare parte a atracției gravitaționale din univers sau ”lipiciul” care permite formarea unor structuri precum galaxiile, inclusiv propria noastră Cale Lactee. Se crede că pe măsură ce sistemul solar orbitează în jurul centrului Căii Lactee, Pământul se mișcă printr-un halou de materie întunecată care constituie cea mai mare parte a materiei din galaxia noastră.

O imagine artistică a haloului de materie întunecată care înconjoară discul spiral central al Căii Lactee. Credit: NASA/ESA/A Feild STSci, CC BY

Sunt un fizician interesat să înțeleg natura materiei întunecate. O presupunere populară este că materia întunecată ar reprezenta un nou tip de particule masive având o interacțiune slabă cu materia obişnuită (particule WIMP- Weakly Interacting Massive Particle).

Termenul WIMP descrie esența particulei. Aceasta are masă, adică interacționează gravitațional, dar interacționează foarte slab, sau rar, cu materia obişnuită. Teoretic, pe Pământ WIMP-urile din Calea Lactee trec prin noi tot timpul, dar pentru că interacționează slab, ele, pur și simplu, nu lovesc nimic.

Se caută WIMP-uri

În ultimii 30 de ani, oamenii de știință au dezvoltat un program experimental pentru a încerca să detecteze interacțiunile rare dintre particulele WIMP și atomii obișnuiți.

Pe Pământ suntem supuşi, în mod constant, unor niveluri scăzute și nepericuloase de radioactivitate provenite de la oligoelemente, în principal uraniu și toriu, din mediu, precum și de razele cosmice din spațiu.

Scopul în căutarea materiei întunecate este de a construi un detector cât mai sensibil posibil, astfel încât să poată detecta materia întunecată și de a-l plasa într-un loc cât mai ferit, astfel încât semnalul de materie întunecată să poată fi observat peste radioactivitatea de fundal.

Exact acest lucru a făcut colaborarea LUX-ZEPLIN, sau LZ, construind cel mai mare detector de materie întunecată de până acum și exploatându-l la o adâncime de 1.478 de metri sub pământ în Sanford Underground Research Facility din Lead, Dakota de Sud.

În centrul LZ se află 10 tone de xenon lichid. Atunci când particulele trec prin detector, ele se pot ciocni cu atomii de xenon, provocând un fulger de lumină și o emisie de electroni.

Principiul de funcționare al detectorului LZ. Particulele interacționează cu xenonul din LZ eliberând lumină care este detectată la extremităţile de sus și de jos ale detectorului de două reţele de senzori sensibili la lumină. Credit: SLAC/LZ, CC BY

În LZ, două rețele electrice masive aplică un câmp electric peste volumul de lichid, care împinge acești electroni eliberați la suprafața lichidului. Atunci când ating suprafața, aceştia sunt atrași în spațiul de deasupra lichidului, care este umplut cu gaz xenon, și accelerați de un alt câmp electric pentru a provoca un al doilea fulger de lumină. Două rețele mari de senzori de lumină captează aceste două fulgere de lumină și, împreună, le permit cercetătorilor să determine poziția, energia și tipul de interacțiune care a avut loc.

Detectorul LZ ar putea detecta o particulă de materie întunecată. Credit: Matt Kapust, SURF, CC BY-SA

Reducerea radioactivităţii

Toate materialele de pe Pământ, inclusiv cele utilizate în construcția detectorului WIMP, emit anumite radiații care ar putea masca interacțiunile cu materia întunecată. Prin urmare, oamenii de știință construiesc detectoare de materie întunecată folosind cele mai pure materiale, lipsite de contaminanți radioactivi, atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul detectorului.

De exemplu, pentru a construi cilindrul central – sau criostatul – care conţine xenonul lichid s-a reușit utilizarea celui mai pur titan de pe Pământ. Utilizarea acestui titan special reduce radioactivitatea în LZ, creând condiţiile pentru a observa orice interacțiuni cu materia întunecată. În plus, xenonul lichid este atât de dens încât acționează ca un scut de radiații, xenonul fiind ușor de purificat de contaminanții radioactivi care s-ar putea strecura.

Detectorul interior al LZ cu cele două rețele de senzori aflate în partea de sus și de jos a cilindrului central care va fi umplut cu xenon lichid. Credit: Matt Kapust, SURF, CC BY

În LZ, detectorul central de xenon se află în interiorul altor două detectoare, numite învelişul cilindrului cu xenon și detectorul exterior. Acestea captează radioactivitate la intrarea sau ieșirea din camera centrală cu xenon. Deoarece interacțiunile cu materia întunecată sunt atât de rare, o particulă de materie întunecată va interacționa o singură dată în întregul aparat. Astfel, dacă observăm un eveniment cu interacțiuni multiple în xenon sau detectorul exterior, atunci putem presupune că nu este cauzat de o particulă WIMP.

Toate aceste componente, inclusiv detectorul central, criostatul și detectorul exterior, se află într-un rezervor mare de apă la aproape o milă sub pământ. Rezervorul de apă protejează detectoarele, iar mediul subteran protejează rezervorul de apă de razele cosmice sau de particulele încărcate electric care lovesc constant atmosfera Pământului.

Vânătoarea continuă

Conform rezultatelor publicate recent, folosind datele obţinute în 60 de zile de observaţii, detectorul LZ a înregistrat aproximativ cinci evenimente pe zi. Aceasta reprezintă, cu aproximaţie, un trilion de evenimente mai puține decât ar înregistra un detector obișnuit de particule de la suprafață într-o zi. Analizând caracteristicile acestor evenimente, cercetătorii pot afirma, cu siguranță, că nicio interacțiune nu a fost cauzată până acum de materia întunecată.

Rezultatul nu este, din păcate, un indiciu pentru o nouă fizică, dar se pot stabili limite cu privire la cât de slab trebuie să interacționeze materia întunecată, deoarece aceasta rămâne neobservată de LZ Aceste limite îi ajută pe fizicieni să înţeleagă ce nu este materia întunecată, iar LZ ajută în acest scop mai bine decât orice experiment din lume.

Între timp, există speranță pentru ceea ce urmează în căutarea materiei întunecate. LZ colectează acum mai multe date și ne așteptăm să avem de peste 15 ori mai multe date în următorii câțiva ani. O interacțiune WIMP poate fi deja în acel set de date, așteaptănd doar să fie dezvăluită în următoarea rundă de analiză.

Traducere după Researchers dig deep underground în hopes of finally observing dark matter