El detector de materia oscura LUX-ZEPLIN (LZ), que pronto comenzará su búsqueda de las elusivas partículas que se cree que representan la mayoría de la materia en el universo, recibió su primer par de "ojos" el jueves.

El primero de dos grandes conjuntos de tubos fotomultiplicadores (PMT), potentes sensores de luz que pueden detectar el más débil de los destellos, completó un 2, 000 millas de viaje en camión desde Rhode Island hasta la instalación de investigación subterránea de Sanford (SURF) en Lead, Dakota del Sur, donde está programado que LZ comience su búsqueda de materia oscura en 2020.

La segunda matriz llegará en enero. Cuando el detector LZ se completa y se enciende, las matrices PMT vigilarán cuidadosamente el tanque de xenón líquido de 10 toneladas de LZ, buscando los destellos gemelos reveladores de luz que se producen si una partícula de materia oscura choca con un átomo de xenón dentro del tanque.

Un equipo de investigadores y técnicos de la Universidad de Brown ha pasado los últimos seis meses ensamblando minuciosamente las dos matrices, cada uno de aproximadamente 5 pies de diámetro y con un total de 494 PMT.

"La entrega de estos arreglos es el pináculo de un enorme esfuerzo de ensamblaje que tuvimos que ejecutar aquí en nuestra sala limpia, "dijo Rick Gaitskell, profesor de física en la Universidad de Brown que supervisó la construcción de las matrices. "Por los ultimos dos años, nos hemos asegurado de que todas las piezas que van a los dispositivos funcionen como se esperaba. Solo haciendo eso podemos estar seguros de que todo funcionará de la manera que queremos cuando se encienda el detector ".

El equipo de Brown ha trabajado con investigadores e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y del Imperial College London para diseñar, obtener, prueba, y ensamblar todos los componentes de la matriz. Prueba de los PMT, que son fabricados por Hamamatsu Corp. en Japón, se realizó en Brown y en Imperial College.

"La entrega de la primera serie de PMT para LZ a SURF es un hito fundamental para el Proyecto LZ, "dijo Murdock" Gil "Gilchriese de Berkeley Lab, quien es el director del proyecto LZ.

En preparación para la llegada de las matrices PMT, Los investigadores de SURF ya habían estado trabajando con prototipos de matrices para practicar la conexión de los PMT a una compleja secuencia de cableado. El ensamblaje real de estos cables a los PMT se llevará a cabo en una sala limpia en SURF.

Nadie sabe exactamente qué es la materia oscura. Los científicos pueden ver los efectos de su gravedad en la rotación de las galaxias y en la forma en que la luz se dobla a medida que viaja por el universo. pero nadie ha detectado directamente una partícula de materia oscura. El principal candidato teórico para una partícula de materia oscura es el WIMP, o partícula masiva de interacción débil. Los WIMP no se pueden ver porque no absorben, emitir, o reflejar la luz. E interactúan con la materia normal solo en muy raras ocasiones, por eso son tan difíciles de detectar incluso cuando millones de ellos pueden estar viajando a través de la Tierra cada segundo.

El experimento LZ, una colaboración de más de 250 científicos de 38 instituciones en todo el mundo, tiene como objetivo capturar una de esas interacciones WIMP fugazmente raras, y de ese modo caracterizar las partículas que se cree constituyen más del 80 por ciento de la materia del universo. El detector será el más sensible jamás construido:100 veces más sensible que el detector LUX, que concluyó su búsqueda de materia oscura en SURF en 2016.

Las matrices PMT son una parte fundamental del experimento. Cada PMT es un cilindro de 6 pulgadas de largo que tiene aproximadamente el diámetro de una lata de refresco. Para formar matrices lo suficientemente grandes como para monitorear todo el objetivo de xenón LZ, cientos de PMT se ensamblan dentro de una matriz circular de titanio. La matriz que se ubicará en la parte superior del objetivo de xenón tiene 253 PMT, mientras que la matriz inferior tiene 241.

Los PMT están diseñados para amplificar señales de luz débiles. Cuando los fotones individuales (partículas de luz) ingresan a un PMT, golpean un fotocátodo. Si el fotón tiene suficiente energía, hace que el fotocátodo expulse uno o más electrones. Entonces esos electrones golpean un electrodo, que expulsa más electrones. Al pasar en cascada a través de una serie de electrodos, la señal original se amplifica en un factor de 1 millón para crear una señal detectable.

Las matrices PMT de LZ necesitarán cada bit de esa sensibilidad para captar los flashes asociados con una interacción WIMP.

"Podríamos estar buscando eventos que emitan tan solo 20 fotones en un tanque enorme que contiene 10 toneladas de xenón, que es algo que el sistema visual humano no podría hacer, ", Dijo Gaitskell." Pero es algo que estas matrices pueden hacer, y necesitaremos que lo hagan para ver la señal de los eventos de partículas raras ".

Los fotones son producidos por lo que se conoce como un evento de retroceso nuclear, que produce dos destellos distintos. El primero llega en el momento en que un WIMP choca con un núcleo de xenón. El segundo, que viene unos cientos de microsegundos después, es producido por el rebote del átomo de xenón que fue golpeado. Rebota en los átomos que lo rodean, que libera algunos electrones. Luego, los electrones son arrastrados por un campo eléctrico a la parte superior del tanque, donde alcanzan una fina capa de gas xenón que los convierte en luz.

Para que esos pequeños destellos se puedan distinguir de los eventos de fondo no deseados, el detector debe estar protegido de los rayos cósmicos y otros tipos de radiación, que también hacen que el xenón líquido se encienda. Es por eso que el experimento se lleva a cabo bajo tierra en SURF, una antigua mina de oro, donde el detector estará protegido por aproximadamente una milla de roca para limitar la interferencia.

La necesidad de limitar la interferencia es también la razón por la que el equipo de la Universidad de Brown estaba obsesionado con la limpieza mientras ensamblaban las matrices. El principal enemigo del equipo era puro polvo viejo.

"Cuando se trata de un instrumento que es tan sensible como LZ, de repente, cosas que antes no te importarían normalmente se vuelven muy serias, "dijo Casey Rhyne, un estudiante de posgrado de la Universidad de Brown que tuvo un papel destacado en la construcción de las matrices. "Uno de los mayores desafíos que tuvimos que enfrentar fue minimizar los niveles de polvo ambiental durante el ensamblaje".

Cada partícula de polvo lleva una cantidad minúscula de productos de desintegración de torio y uranio radiactivo. La radiación es extremadamente pequeña y no representa una amenaza para las personas. pero demasiadas de esas motas dentro del detector LZ podrían ser suficientes para interferir con una señal WIMP.

De hecho, el presupuesto de polvo para el experimento LZ requiere que no haya más de un gramo de polvo en todo el instrumento de 10 toneladas. Debido a todos sus rincones y recovecos, las matrices PMT podrían ser importantes colectores de polvo si no se tomaran las molestias de mantenerlas limpias durante la construcción.

El equipo de la Universidad de Brown realizó la mayor parte de su trabajo en una sala limpia de "clase 1000", que no permite más de 1, 000 partículas de polvo microscópicas por pie cúbico de espacio. Y dentro de esa sala limpia había un espacio aún más prístino que el equipo denominó "PALACE (recinto de elevación y puesta en marcha de matrices PMT)". PALACE era esencialmente una sala ultralimpia donde se realizaba gran parte del ensamblaje de la matriz real. PALACE era un espacio de "clase 10", que no permitía más de 10 partículas de polvo de más de una centésima del ancho de un cabello humano por pie cúbico.

Pero las preocupaciones por la radiación no se limitaron al polvo. Antes de que comenzara el ensamblaje de las matrices, el equipo preseleccionó cada parte de cada tubo PMT para evaluar los niveles de radiación.

"Hicimos que Hamamatsu nos enviara todos los materiales que iban a utilizar para la construcción de PMT, y los ponemos en un detector de germanio subterráneo, "dijo Samuel Chan, estudiante de posgrado y líder del equipo del sistema PMT. "Este detector es muy bueno para detectar la radiación que emiten los materiales de construcción. Si los niveles de radiación intrínseca fueran lo suficientemente bajos en estos materiales, luego le dijimos a Hamamatsu que siguiera adelante y los usara en la fabricación de estos PMT ".

El equipo tiene la esperanza de que todo el trabajo realizado durante los últimos seis meses dará sus frutos cuando LZ comience su búsqueda de WIMP.

"Obtener todo ahora tendrá un gran impacto en menos de dos años, cuando encendemos el detector completo y estamos tomando datos, ", Dijo Gaitskell." Podremos ver directamente a partir de esos datos qué tan bueno es el trabajo que hemos hecho nosotros y otras personas ".

Dado el gran aumento en la sensibilidad de búsqueda de materia oscura que puede ofrecer el detector LZ en comparación con todos los experimentos anteriores, el equipo espera que este detector finalmente identifique y caracterice el vasto mar de cosas que nos rodea a todos. Hasta aquí, la materia oscura ha permanecido tremendamente esquiva.