Ha comenzado la carrera para construir el experimento estadounidense más sensible diseñado para detectar directamente partículas de materia oscura. Los funcionarios del Departamento de Energía aprobaron formalmente un hito de construcción clave que impulsará el proyecto hacia su meta de finalización de abril de 2020.

El experimento LUX-ZEPLIN (LZ), que se construirá casi una milla bajo tierra en la instalación de investigación subterránea de Sanford (SURF) en Lead, DAKOTA DEL SUR., se considera una de las mejores apuestas hasta ahora para determinar si las partículas de materia oscura teorizadas conocidas como WIMP (partículas masivas de interacción débil) realmente existen. Hay otros candidatos a materia oscura, también, como "axiones" o "neutrinos estériles, "qué otros experimentos son más adecuados para erradicar o descartar.

El rápido programa de LZ ayudará a los EE. UU. A mantenerse competitivos con experimentos similares de detección directa de materia oscura de próxima generación planeados en Italia y China.

El 9 de febrero el proyecto pasó una etapa de revisión y aprobación del DOE conocida como Decisión Crítica 3 (CD-3), que acepta el diseño final y lanza formalmente la construcción.

"Intentaremos ir lo más rápido que podamos para tener todo terminado para abril de 2020, "dijo Murdock" Gil "Gilchriese, Director del proyecto LZ y físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab), el laboratorio principal del proyecto. "Tenemos un respaldo muy fuerte para ir rápido y ser los primeros". La colaboración de LZ cuenta ahora con unos 220 científicos e ingenieros participantes que representan a 38 instituciones de todo el mundo.

La naturaleza de la materia oscura, que los físicos describen como el componente invisible o la llamada "masa perdida" en el universo que explicaría los giros de las galaxias más rápidos de lo esperado, y su movimiento en cúmulos observados en todo el universo, ha eludido a los científicos desde que su existencia fue deducida a través de cálculos del astrónomo suizo Fritz Zwicky en 1933.

La búsqueda para descubrir de qué está hecha la materia oscura, o para saber si se puede explicar modificando las leyes conocidas de la física de nuevas formas, se considera una de las cuestiones más urgentes de la física de partículas.

Las sucesivas generaciones de experimentos han evolucionado para proporcionar una sensibilidad extrema en la búsqueda que al menos descartará algunos de los posibles candidatos y escondites de la materia oscura. o puede conducir a un descubrimiento.

LZ será al menos 50 veces más sensible a encontrar señales de partículas de materia oscura que su predecesor, el experimento Large Underground Xenon (LUX), que se eliminó de SURF el año pasado para dar paso a LZ. El nuevo experimento utilizará 10 toneladas métricas de xenón líquido ultrapurificado, para desentrañar posibles señales de materia oscura. Xenón, en su forma gaseosa, es uno de los elementos más raros de la atmósfera terrestre.

"La ciencia es muy convincente, por lo que está siendo perseguido por físicos de todo el mundo, "dijo Carter Hall, el portavoz de la colaboración LZ y profesor asociado de física en la Universidad de Maryland. "Es una competición sana y amistosa, con un descubrimiento importante posiblemente en juego ".

Una actualización planificada del experimento XENON1T actual en el Laboratorio Gran Sasso del Instituto Nacional de Física Nuclear (el experimento XENONnT) en Italia, y los planes de China para avanzar en el trabajo sobre PandaX-II, También están programados para ser experimentos subterráneos de vanguardia que utilizarán xenón líquido como medio para buscar una señal de materia oscura. Se espera que ambos proyectos tengan un cronograma y una escala similares a LZ, aunque los participantes de LZ tienen como objetivo lograr una mayor sensibilidad a la materia oscura que estos otros contendientes.

Hall señaló que si bien los WIMP son un objetivo principal para LZ y sus competidores, Las exploraciones de LZ en territorios inexplorados podrían conducir a una variedad de descubrimientos sorprendentes. "La gente está desarrollando todo tipo de modelos para explicar la materia oscura, ", dijo." LZ está optimizado para observar un WIMP pesado, pero también es sensible a algunos escenarios menos convencionales. También puede buscar otras partículas exóticas y procesos raros ".

LZ está diseñado para que si una partícula de materia oscura choca con un átomo de xenón, Producirá un rápido destello de luz seguido de un segundo destello de luz cuando los electrones producidos en la cámara de xenón líquido se desplacen hacia su parte superior. La luz pulsa recogidos por una serie de unos 500 tubos amplificadores de luz que recubren el enorme tanque, más de cuatro veces más que los instalados en LUX, llevarán la huella dactilar reveladora de las partículas que las crearon.

Daniel Akerib, Thomas Shutt, y Maria Elena Monzani lideran el equipo LZ en SLAC National Accelerator Laboratory. El esfuerzo de SLAC incluye un programa para purificar el xenón para LZ mediante la eliminación de criptón, un elemento que se encuentra típicamente en cantidades traza con xenón después de procesos de refinamiento estándar. "Ya hemos demostrado la purificación requerida para LZ y ahora estamos trabajando en formas de purificar aún más el xenón para extender el alcance científico de LZ". "Dijo Akerib.

Los colaboradores de SLAC y Berkeley Lab también están desarrollando y probando rejillas de alambre tejido a mano que extraen señales eléctricas producidas por interacciones de partículas en el tanque de xenón líquido. Los prototipos de tamaño completo se operarán a finales de este año en una plataforma de prueba SLAC. "Estas pruebas son importantes para garantizar que las redes no produzcan descargas eléctricas de bajo nivel cuando se operan a alto voltaje, Dado que la descarga podría inundar una débil señal de materia oscura, "dijo Shutt.

Hugh Lippincott, un Wilson Fellow en Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) y el coordinador de física para la colaboración LZ, dijo, "Junto con el esfuerzo por construir el detector y tomar datos lo más rápido posible, también estamos desarrollando nuestras herramientas de simulación y análisis de datos para que podamos entender lo que veremos cuando se encienda el detector. Queremos estar preparados para la física tan pronto como aparezca el primer destello de luz en el xenón ". Fermilab es responsable de implementar partes clave del sistema crítico que maneja, purifica, y enfría el xenón.

Todos los componentes de LZ se miden minuciosamente para determinar los niveles de radiación que ocurren naturalmente para tener en cuenta las posibles señales falsas que provienen de los propios componentes. Se está preparando una sala limpia de filtrado de polvo para el montaje de LZ y se está construyendo un edificio de reducción de radón en el sitio de Dakota del Sur; el radón es un gas radiactivo natural que podría interferir con la detección de materia oscura. Estos pasos son necesarios para eliminar las señales de fondo tanto como sea posible.

Los vasos que rodearán el xenón líquido, que son responsabilidad de los participantes de la colaboración en el Reino Unido, ahora se están ensamblando en Italia. Se construirán con el titanio más puro del mundo para reducir aún más el ruido de fondo.

Para garantizar que las partículas no deseadas no se malinterpreten como señales de materia oscura, La cámara de xenón líquido de LZ estará rodeada por otro tanque lleno de líquido y una matriz separada de tubos fotomultiplicadores que pueden medir otras partículas y vetar en gran medida señales falsas. El Laboratorio Nacional Brookhaven está manejando la producción de otro líquido muy puro, conocido como líquido centelleador, que entrará en este tanque.

Las salas blancas estarán listas en junio, Gilchriese dijo:y la preparación de la caverna donde se alojará LZ está en curso en SURF. El montaje y la instalación in situ comenzarán en 2018, él agregó, y todo el xenón necesario para el proyecto ya se ha entregado o está bajo contrato. Gas de xenón, que es costoso de producir, se utiliza en iluminación, imágenes médicas y anestesia, sistemas de propulsión de vehículos espaciales, y la industria electrónica.

"Dakota del Sur se enorgullece de albergar el experimento LZ en SURF y de contribuir con el 80 por ciento del xenón para LZ, "dijo Mike Headley, director ejecutivo de la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur (SDSTA) que supervisa SURF. "El trabajo de nuestras instalaciones está en marcha y estamos en camino de respaldar el cronograma de LZ".

Científicos del Reino Unido, que constituyen aproximadamente una cuarta parte de la colaboración de LZ, están contribuyendo con hardware para la mayoría de los subsistemas. Henrique Araújo, del Imperial College de Londres, dijo, "Esperamos ver que todo se junta después de un largo período de diseño y planificación".

Kelly Hanzel, Gerente de proyectos de LZ e ingeniero mecánico de Berkeley Lab, adicional, "Contamos con una excelente colaboración y un equipo de ingenieros dedicados a la ciencia y al éxito del proyecto". El último hito de aprobación, ella dijo, "es probablemente el paso más significativo hasta ahora, "ya que prevé la compra de la mayoría de los componentes principales de los sistemas de soporte de LZ.