La corsa è per costruire l'esperimento più sensibile con sede negli Stati Uniti progettato per rilevare direttamente le particelle di materia oscura. I funzionari del Dipartimento dell'Energia hanno formalmente approvato una pietra miliare di costruzione chiave che spingerà il progetto verso il suo obiettivo di aprile 2020 per il completamento.

L'esperimento LUX-ZEPLIN (LZ), che sarà costruito quasi un miglio sottoterra presso il Sanford Underground Research Facility (SURF) a Lead, SD, è considerata una delle migliori scommesse ancora per determinare se le particelle di materia oscura teorizzate note come WIMP (particelle massicce a interazione debole) esistano effettivamente. Ci sono altri candidati per la materia oscura, pure, come "assioni" o "neutrini sterili, " quali altri esperimenti sono più adatti a sradicare o escludere.

Il programma in rapida evoluzione per LZ aiuterà gli Stati Uniti a rimanere competitivi con simili esperimenti di rilevamento diretto della materia oscura di nuova generazione pianificati in Italia e Cina.

Il 9 febbraio il progetto ha superato una fase di revisione e approvazione del DOE nota come Decisione critica 3 (CD-3), che accetta il progetto definitivo e avvia formalmente la costruzione.

"Cercheremo di andare il più velocemente possibile per completare tutto entro aprile 2020, " disse Murdock "Gil" Gilchriese, Direttore del progetto LZ e fisico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE (Berkeley Lab), il laboratorio principale del progetto. "Abbiamo ricevuto un'approvazione molto forte per andare veloci e per essere i primi". La collaborazione LZ conta ora circa 220 scienziati e ingegneri partecipanti che rappresentano 38 istituzioni in tutto il mondo.

La natura della materia oscura, che i fisici descrivono come la componente invisibile o la cosiddetta "massa mancante" nell'universo che spiegherebbe gli spin delle galassie più veloci del previsto, e il loro movimento in ammassi osservati in tutto l'universo, è sfuggito agli scienziati da quando la sua esistenza è stata dedotta dai calcoli dell'astronomo svizzero Fritz Zwicky nel 1933.

La ricerca per scoprire di cosa è fatta la materia oscura, o per sapere se può essere spiegato modificando le note leggi della fisica in modi nuovi, è considerata una delle domande più urgenti nella fisica delle particelle.

Le generazioni successive di esperimenti si sono evolute per fornire un'estrema sensibilità nella ricerca che almeno escluderà alcuni dei probabili candidati e nascondigli per la materia oscura, o può portare a una scoperta.

LZ sarà almeno 50 volte più sensibile alla ricerca di segnali da particelle di materia oscura rispetto al suo predecessore, l'esperimento Large Underground Xenon (LUX), che è stato rimosso da SURF l'anno scorso per far posto a LZ. Il nuovo esperimento utilizzerà 10 tonnellate di xeno liquido ultrapurificato, per scoprire possibili segnali di materia oscura. Xeno, nella sua forma gassosa, è uno degli elementi più rari nell'atmosfera terrestre.

"La scienza è altamente convincente, quindi è perseguito dai fisici di tutto il mondo, "ha detto Carter Hall, il portavoce della collaborazione LZ e professore associato di fisica presso l'Università del Maryland. "È una competizione amichevole e sana, con una scoperta importante forse in gioco."

Un aggiornamento pianificato dell'attuale esperimento XENON1T presso il Laboratorio del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (l'esperimento XENONnT) in Italia, e i piani della Cina per far avanzare il lavoro su PandaX-II, sono anche previsti esperimenti sotterranei all'avanguardia che utilizzeranno lo xeno liquido come mezzo per cercare un segnale di materia oscura. Entrambi questi progetti dovrebbero avere un programma e una scala simili a LZ, sebbene i partecipanti a LZ mirino a raggiungere una maggiore sensibilità alla materia oscura rispetto a questi altri contendenti.

Hall ha osservato che mentre le WIMP sono un obiettivo primario per LZ e i suoi concorrenti, Le esplorazioni di LZ in un territorio inesplorato potrebbero portare a una serie di scoperte sorprendenti. "Le persone stanno sviluppando tutti i tipi di modelli per spiegare la materia oscura, " ha detto. "LZ è ottimizzato per osservare un WIMP pesante, ma è sensibile anche ad alcuni scenari meno convenzionali. Può anche cercare altre particelle esotiche e processi rari".

LZ è progettato in modo che se una particella di materia oscura si scontra con un atomo di xeno, produrrà un rapido lampo di luce seguito da un secondo lampo di luce quando gli elettroni prodotti nella camera allo xeno liquido si spostano verso l'alto. La luce pulsa, raccolti da una serie di circa 500 tubi amplificatori di luce che rivestono l'enorme serbatoio, oltre quattro volte di più di quelli installati in LUX, porteranno l'impronta digitale rivelatrice delle particelle che li hanno creati.

Daniel Akerib, Thomas Shut, e Maria Elena Monzani guidano il team LZ presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. Lo sforzo SLAC include un programma per purificare lo xeno per LZ rimuovendo krypton, un elemento che si trova tipicamente in tracce con lo xeno dopo processi di raffinamento standard. "Abbiamo già dimostrato la purificazione necessaria per LZ e ora stiamo lavorando su modi per purificare ulteriormente lo xeno per estendere la portata scientifica di LZ, " ha detto Akerib.

I collaboratori di SLAC e Berkeley Lab stanno anche sviluppando e testando reti metalliche intrecciate a mano che estraggono segnali elettrici prodotti dalle interazioni delle particelle nel serbatoio di xeno liquido. I prototipi a grandezza naturale saranno utilizzati entro la fine dell'anno su una piattaforma di test SLAC. "Questi test sono importanti per garantire che le reti non producano scariche elettriche di basso livello quando funzionano ad alta tensione, poiché la scarica potrebbe sommergere un debole segnale dalla materia oscura, " disse Shutt.

Hugh Lippincott, un Wilson Fellow presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) e il coordinatore fisico per la collaborazione LZ, disse, "Oltre allo sforzo di costruire il rilevatore e di acquisire i dati il ​​più velocemente possibile, stiamo anche costruendo i nostri strumenti di simulazione e analisi dei dati in modo da poter capire cosa vedremo quando il rilevatore si accenderà. Vogliamo essere pronti per la fisica non appena apparirà il primo lampo di luce nello xeno." Fermilab è responsabile dell'implementazione di parti chiave del sistema critico che gestisce, purifica, e raffredda lo xeno.

Tutti i componenti per LZ sono accuratamente misurati per i livelli di radiazione naturali per tenere conto di possibili falsi segnali provenienti dai componenti stessi. Si sta preparando una camera bianca per il filtraggio della polvere per l'assemblaggio di LZ e nel sito del South Dakota è in costruzione un edificio per la riduzione del radon:il radon è un gas radioattivo naturale che potrebbe interferire con il rilevamento della materia oscura. Questi passaggi sono necessari per rimuovere il più possibile i segnali di sottofondo.

I vasi che circonderanno lo xeno liquido, che sono responsabilità dei partecipanti britannici della collaborazione, ora vengono assemblati in Italia. Saranno costruiti con il titanio più puro al mondo per ridurre ulteriormente il rumore di fondo.

Per garantire che le particelle indesiderate non vengano interpretate erroneamente come segnali di materia oscura, La camera allo xeno liquido di LZ sarà circondata da un altro serbatoio pieno di liquido e da una serie separata di tubi fotomoltiplicatori in grado di misurare altre particelle e in gran parte porre il veto ai falsi segnali. Il Brookhaven National Laboratory sta gestendo la produzione di un altro liquido molto puro, noto come fluido scintillatore, che andrà in questo serbatoio.

Le camere bianche saranno operative entro giugno, Gilchriese ha detto, e la preparazione della caverna dove sarà ospitato LZ è in corso presso SURF. Il montaggio e l'installazione in loco inizieranno nel 2018, Ha aggiunto, e tutto lo xeno necessario per il progetto è già stato consegnato o è sotto contratto. gas xeno, che è costoso da produrre, viene utilizzato nell'illuminazione, imaging medico e anestesia, sistemi di propulsione per veicoli spaziali, e l'industria elettronica.

"Il South Dakota è orgoglioso di ospitare l'esperimento LZ al SURF e di contribuire con l'80% dello xeno per LZ, " ha detto Mike Headley, direttore esecutivo della South Dakota Science and Technology Authority (SDSTA) che sovrintende SURF. "Il lavoro della nostra struttura è in corso e siamo sulla buona strada per supportare la cronologia di LZ".

scienziati britannici, che costituiscono circa un quarto della collaborazione LZ, stanno contribuendo hardware per la maggior parte dei sottosistemi. Henrique Araújo, dell'Imperial College di Londra, disse, "Non vediamo l'ora di vedere tutto riunirsi dopo un lungo periodo di progettazione e pianificazione".

Kelly Hanzel, Project manager di LZ e ingegnere meccanico di Berkeley Lab, aggiunto, "Abbiamo un'eccellente collaborazione e un team di ingegneri che si dedicano alla scienza e al successo del progetto". L'ultimo traguardo di approvazione, lei disse, "è probabilmente il passo più significativo finora, " in quanto prevede l'acquisto della maggior parte dei principali componenti dei sistemi di supporto di LZ.