Ubicado a una milla bajo tierra en una mina de oro abandonada en Dakota del Sur, se encuentra un cilindro gigantesco que contiene 10 toneladas de xenón líquido purificado, observado de cerca por más de 250 científicos de todo el mundo. Ese tanque de xenón es el corazón del experimento LUX-ZEPLIN (LZ), un esfuerzo para detectar la materia oscura, la misteriosa sustancia invisible que constituye el 85 % de la materia del universo.

"La gente ha estado buscando materia oscura durante más de 30 años, y nadie ha tenido una detección convincente todavía", dijo Dan Akerib, profesor de física de partículas y astrofísica en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía (DOE). Pero con la ayuda de científicos, ingenieros e investigadores de todo el mundo, Akerib y sus colegas han hecho del experimento LZ uno de los detectores de partículas más sensibles del planeta.

Para llegar a ese punto, los investigadores de SLAC aprovecharon su experiencia en el trabajo con nobles líquidos, las formas líquidas de gases nobles como el xenón, incluido el avance de las tecnologías utilizadas para purificar los nobles líquidos y los sistemas para detectar interacciones raras de materia oscura dentro de esos líquidos. Y, dijo Akerib, lo que los investigadores han aprendido ayudará no solo a la búsqueda de materia oscura, sino también a otros experimentos que buscan procesos de física de partículas raras.

"Estos son misterios realmente profundos de la naturaleza, y esta confluencia de comprender lo muy grande y lo muy pequeño al mismo tiempo es muy emocionante", dijo Akerib. "Es posible que podamos aprender algo completamente nuevo sobre la naturaleza".

Buscando materia oscura en las profundidades del subsuelo

Un candidato principal actual para la materia oscura son las partículas masivas de interacción débil, o WIMP. Sin embargo, como sugiere el acrónimo, los WIMP apenas interactúan con la materia ordinaria, lo que los hace muy difíciles de detectar, a pesar de que, en teoría, muchos de ellos pasan a nuestro lado todo el tiempo.

Para hacer frente a ese desafío, el experimento LZ primero se adentró bajo tierra en la antigua mina de oro Homestake, que ahora es la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Lead, Dakota del Sur. Allí, el experimento está bien protegido del bombardeo constante de rayos cósmicos en la superficie de la Tierra, una fuente de ruido de fondo que podría dificultar la detección de materia oscura difícil de encontrar.

Incluso entonces, encontrar materia oscura requiere un detector sensible. Por esa razón, los científicos buscan gases nobles, que también son notoriamente reacios a reaccionar con cualquier cosa. Esto significa que hay muy pocas opciones sobre lo que podría suceder cuando una partícula de materia oscura, o WIMP, interactúa con el átomo de un gas noble y, por lo tanto, hay menos posibilidades de que los científicos pasen por alto una interacción que ya es difícil de encontrar.

¿Pero qué noble? Resulta que "el xenón es un noble particularmente bueno para detectar materia oscura", dijo Akerib. La materia oscura interactúa más fuertemente con los núcleos, y la interacción se vuelve aún más fuerte con la masa atómica del átomo, explicó Akerib. Por ejemplo, los átomos de xenón son un poco más de tres veces más pesados ​​que los átomos de argón, pero se espera que tengan interacciones con la materia oscura que sean diez veces más fuertes.

Otro beneficio:"Una vez que purifique otros contaminantes del xenón líquido, será muy silencioso por sí mismo", dijo Akerib. En otras palabras, es poco probable que la descomposición radiactiva natural del xenón obstaculice la detección de las interacciones entre los WIMP y los átomos de xenón.

Solo el xenón, por favor

El truco, dijo Akerib, es obtener xenón puro, sin el cual todos los beneficios del gas noble son discutibles. Sin embargo, los gases nobles purificados no están fácilmente disponibles; el hecho de que no interactúen con casi nada también significa que, en general, son bastante difíciles de separar unos de otros. Y, "lamentablemente, no puede simplemente comprar un purificador del estante que purificará los gases nobles", dijo Akerib.

Por lo tanto, Akerib y sus colegas de SLAC tuvieron que encontrar una manera de purificar todo el xenón líquido que necesitaban para el detector.

El mayor contaminante del xenón es el criptón, que es el siguiente gas noble más ligero y tiene un isótopo radiactivo que podría enmascarar las interacciones que los investigadores están buscando. Para evitar que el criptón se convierta en la kriptonita del detector de partículas, Akerib y sus colegas pasaron varios años perfeccionando una técnica de purificación de xenón utilizando lo que se conoce como cromatografía de carbón gaseoso. La idea básica es separar los ingredientes de una mezcla en función de sus propiedades químicas, ya que la mezcla se transporta a través de algún tipo de medio. La cromatografía de carbón gaseoso utiliza helio como gas portador de la mezcla y carbón vegetal como medio de separación.

"Puedes pensar en el helio como una brisa constante a través del carbón", explicó Akerib. "Cada átomo de xenón y criptón pasa una fracción de tiempo pegado al carbón y otro tiempo despegado. Cuando los átomos están en un estado despegado, la brisa de helio los arrastra por la columna". Los átomos de gas noble son menos pegajosos cuanto más pequeños son, lo que significa que el criptón es algo menos pegajoso que el xenón, por lo que es arrastrado por la "brisa" de helio no pegajosa, separando así el xenón del criptón. Luego, los investigadores podrían capturar el criptón y tirarlo y luego recuperar el xenón, dijo Akerib. "Hicimos eso por algo así como 200 cilindros de gas xenón, fue una campaña bastante grande".

El experimento LZ no es el primer experimento que SLAC ha estado involucrado en un intento de buscar nueva física con xenón. The Enriched Xenon Observatory experiment (EXO-200), which ran from 2011 to 2018, isolated a specific xenon isotope to search for a process called neutrinoless double beta decay. Results from the experiment suggested the process is unimaginably rare, but a new proposed search dubbed Next EXO (nEXO) will continue the search using a detector similar to LZ's.

A different sort of electrical grid

No matter what liquid noble fills the detector, a sophisticated detection system is crucial if scientists ever hope to find something like dark matter. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Explore further

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector