Gli scienziati hanno una nuova finestra sulla ricerca della materia oscura:un recipiente in acrilico che presenta un raggruppamento di serbatoi trasparenti alti 12 piedi con pareti spesse 1 pollice.

I serbatoi, che circonderà un rivelatore centrale per un esperimento profondo quasi un miglio in costruzione nel South Dakota chiamato LUX-ZEPLIN (LZ), sarà riempito di liquido che produce piccoli lampi di luce in alcune interazioni di particelle.

Gli scienziati seguiranno questi lampi di luce con un sistema di acquisizione dati e ricostruiranno le loro probabili fonti. Oltre a contenere lo scintillatore liquido, i serbatoi serviranno anche da scudo per alcuni "rumore" di particelle indesiderate che potrebbero interferire con altri, segnali ricercati, e come sistema di veto, una sorta di macchina della verità che può aiutare gli scienziati a distinguere i falsi rilevamenti della materia oscura da una vera scoperta.

Materia oscura, che costituisce circa l'85 per cento di tutta la materia nell'universo, non è mai stato visto direttamente, sebbene gli scienziati ne rilevino la presenza attraverso gli effetti gravitazionali. Le stelle nelle galassie a spirale, Per esempio, sono stati osservati muoversi intorno al centro all'incirca alla stessa velocità anche a distanze molto diverse, che dice agli scienziati che c'è qualcos'altro in gioco che causa questo effetto inaspettato.

Anche se non sappiamo di cosa sia composta la materia oscura, l'esperimento LZ è progettato per dare la caccia a uno dei principali sospettati:una particella teorizzata nota come WIMP, o particella massiva che interagisce debolmente.

Una collaborazione internazionale, coinvolgendo circa 250 scienziati, ingegneri, e tecnici di 38 istituzioni, sta lavorando su LZ. Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti supervisiona la costruzione e l'installazione di LZ. L'esperimento LZ dovrebbe iniziare a raccogliere dati nel 2020.

I serbatoi in acrilico di LZ sono stati modellati in segmenti per adattarsi al pozzo dell'ascensore presso il Sanford Underground Research Facility (SURF), un'ex miniera d'oro in piombo, Sud Dakota. LZ occuperà una caverna recentemente rinnovata a SURF che in precedenza ospitava il suo predecessore più piccolo, l'esperimento LUX (Large Underground Xenon).

LZ è progettato per essere almeno 100 volte più sensibile a possibili segnali di particelle di materia oscura rispetto a LUX. Il sistema di veto formato dai serbatoi acrilici e una relativa sequenza di rilevatori di rilevamento della luce migliorerà la capacità di LZ di escludere segnali non di materia oscura.

I quattro serbatoi in acrilico più grandi di LZ, che sono progettati e sagomati su misura, misura 12,3 piedi di altezza, 7,5 piedi di larghezza, e 3,4 piedi di spessore, e pesa 1, 500 sterline a testa. Due sono arrivati ​​a SURF all'inizio di questo mese, e gli altri due verranno consegnati entro il prossimo mese. Entro la fine dell'anno arriveranno sei serbatoi più piccoli, tre che staranno sopra il rivelatore principale e tre che risiederanno al di sotto di esso.

"Sembra una gigantesca spada laser tagliata in quarti dall'alto, " disse Harry Nelson, un professore di fisica dell'Università di Santa Barbara che supervisiona lo sforzo dei serbatoi in acrilico per LZ. Nelson paragona i carri armati a una delle mitiche spade di luce presenti nei film di fantascienza di "Star Wars". UC Santa Barbara ha servito come responsabile tecnico per i carri armati, supervisionare la loro progettazione, fabbricazione commerciale, test, e trasporto.

I ricercatori hanno progettato un telaio speciale per sostenere e proteggere i serbatoi che consentirà ai lavoratori di manovrare i serbatoi attraverso il complesso di tunnel fino al luogo di riposo. Uno speciale sartiame attaccato a questo telaio verrà utilizzato per sospendere ciascuno dei grandi componenti del serbatoio sotto l'ascensore a SURF per il loro viaggio sottoterra. "Ogni segmento sarà appeso come un ornamento festivo dal fondo dell'ascensore, " ha detto Nelson.

Simone Fiorucci, un fisico del Berkeley Lab che supervisiona le operazioni di LZ a SURF, disse, "Questo è il primo caso di installazione significativa di apparecchiature di rilevamento LZ nel laboratorio sotterraneo. È una pietra miliare importante per il progetto, e fa ben sperare per l'anno impegnativo che ci aspetta".

Altri esperimenti di fisica hanno utilizzato anche l'acrilico per contenere i serbatoi, Nelson ha notato, compreso il vascello sferico di 12 piedi del Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Canada.

In totale, i 10 serbatoi che circonderanno il rivelatore centrale cilindrico a LZ conterranno circa 17 tonnellate di uno scintillatore liquido noto come alchilbenzene lineare, che è più comunemente usato come ingrediente in detersivi e altri prodotti per la pulizia. Il rivelatore cilindrico centrale è costruito con titanio ad altissima purezza e conterrà 10 tonnellate di xeno liquido ultrapurificato, un elemento raro i cui atomi possono emettere esplosioni di luce nelle interazioni tra particelle.

"Recenti ricerche sulla materia oscura hanno scoperto che i neutroni possono essere uno sfondo pernicioso, con la capacità di imitare un segnale di materia oscura, "ha detto Carter Hall, Portavoce di LZ e professore di fisica all'Università del Maryland. I neutroni sono particelle prive di carica che risiedono nei nuclei atomici. "I serbatoi acrilici e il loro carico utile dello scintillatore liquido forniranno un potente segnale di rigetto dei neutroni in modo che LZ non venga ingannato".

Come strati di una cipolla, i serbatoi acrilici si adatteranno perfettamente al rilevatore LZ centrale e saranno a loro volta circondati da un grande serbatoio che contiene circa 60, 000 galloni (230 tonnellate) di acqua ultrapura.

"Tutto deve combaciare con una tolleranza di un quarto di pollice, " ha detto Sally Shaw, un ricercatore post-dottorato dell'UC Santa Barbara che ha lavorato per garantire che i serbatoi soddisfino i rigorosi requisiti dell'esperimento LZ.

I serbatoi sono stati puliti dall'interno verso l'esterno prima della spedizione al sito SURF, ha notato.

"Qualsiasi radioattività all'interno dei serbatoi creerà luce, " ha detto. "C'è una procedura che coinvolge pulirli con solventi. Quindi usiamo acqua deionizzata e polvere detergente speciale, con qualcuno sdraiato all'interno dei serbatoi. Implica tantissimi risciacqui, e testare la purezza dell'acqua sciacquata. È un grande lavoro".

I ricercatori dell'UC Santa Barbara hanno lavorato a stretto contatto con il produttore dei serbatoi, Tecnologia Reynolds Polymer a Grand Junction, col., progettare e ingegnerizzare i robusti telai utilizzati per proteggere i serbatoi durante il trasporto. Le cornici erano dipinte di rosa, Il colore preferito di Shaw, in riconoscimento dei suoi numerosi contributi al progetto.

I ricercatori di LZ hanno intrapreso numerosi viaggi nel sito di produzione dei serbatoi per supervisionare il processo nelle varie fasi.

Dopo che tutti i serbatoi sono stati abbassati nella caverna di ricerca e nel serbatoio dell'acqua vuoto dove verrà installato LZ, rimarranno avvolti in un involucro protettivo fino alle fasi finali dell'assemblaggio a fine 2019.