Il rivelatore di materia oscura LUX-ZEPLIN (LZ), che presto inizierà la sua ricerca delle particelle sfuggenti ritenute responsabili della maggior parte della materia nell'universo, ha avuto la sua prima serie di "occhi" consegnati giovedì.

Il primo di due grandi array di tubi fotomoltiplicatori (PMT), potenti sensori di luce in grado di rilevare il più debole dei lampi, ha completato un 2, Viaggio di 000 miglia in camion dal Rhode Island al Sanford Underground Research Facility (SURF) a Lead, Sud Dakota, dove LZ dovrebbe iniziare la sua ricerca sulla materia oscura nel 2020.

Il secondo array arriverà a gennaio. Quando il rilevatore LZ è completato e acceso, gli array PMT terranno d'occhio il serbatoio da 10 tonnellate di xeno liquido di LZ, cercando i lampi gemelli rivelatori prodotti se una particella di materia oscura urta un atomo di xeno all'interno del serbatoio.

Un team di ricercatori e tecnici della Brown University ha trascorso gli ultimi sei mesi assemblando faticosamente i due array, ciascuno di circa 5 piedi di diametro e con un totale di 494 PMT.

"La consegna di questi array è l'apice di un enorme sforzo di assemblaggio che abbiamo dovuto eseguire qui nella nostra camera bianca, " ha detto Rick Gaitskell, un professore di fisica alla Brown University che ha supervisionato la costruzione degli array. "Negli ultimi due anni, ci siamo assicurati che ogni pezzo inserito nei dispositivi funzionasse come previsto. Solo così possiamo essere sicuri che tutto funzionerà come vogliamo quando il rilevatore è acceso".

Il team Brown ha lavorato con ricercatori e ingegneri del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab) e dell'Imperial College di Londra per progettare, procurare, test, e assemblare tutti i componenti dell'array. Test dei PMT, prodotti dalla Hamamatsu Corp. in Giappone, è stata eseguita al Brown e all'Imperial College.

"La consegna della prima serie di PMT per LZ a SURF è una pietra miliare fondamentale per il progetto LZ, " disse Murdock "Gil" Gilchriese del Berkeley Lab, chi è il direttore del progetto LZ.

In preparazione per l'arrivo degli array PMT, i ricercatori di SURF avevano già lavorato con prototipi di array per esercitarsi a collegare i PMT a una complessa sequenza di cavi. L'effettivo assemblaggio di questi cavi ai PMT avverrà in una camera bianca presso SURF.

Nessuno sa esattamente cosa sia la materia oscura. Gli scienziati possono vedere gli effetti della sua gravità nella rotazione delle galassie e nel modo in cui la luce si piega mentre viaggia attraverso l'universo, ma nessuno ha rilevato direttamente una particella di materia oscura. Il principale candidato teorico per una particella di materia oscura è il WIMP, o particella massiva che interagisce debolmente. Le WIMP non si vedono perché non assorbono, emettere, o riflettere la luce. E interagiscono con la materia normale solo in occasioni molto rare, ecco perché sono così difficili da rilevare anche quando milioni di loro potrebbero viaggiare attraverso la Terra ogni secondo.

L'esperimento LZ, una collaborazione di oltre 250 scienziati di 38 istituzioni in tutto il mondo, mira a catturare una di quelle interazioni WIMP fugacemente rare, e quindi caratterizzare le particelle che si ritiene costituiscano più dell'80% della materia nell'universo. Il rilevatore sarà il più sensibile mai costruito:100 volte più sensibile del rilevatore LUX, che ha concluso la sua ricerca sulla materia oscura al SURF nel 2016.

Gli array PMT sono una parte fondamentale dell'esperimento. Ogni PMT è un cilindro lungo 6 pollici che ha all'incirca il diametro di una lattina di soda. Per formare array sufficientemente grandi da monitorare l'intero target xenon LZ, centinaia di PMT sono assemblati insieme all'interno di una matrice circolare in titanio. L'array che siederà sopra il bersaglio allo xeno ha 253 PMT, mentre l'array inferiore ha 241.

I PMT sono progettati per amplificare segnali luminosi deboli. Quando i singoli fotoni (particelle di luce) entrano in un PMT, colpiscono un fotocatodo. Se il fotone ha energia sufficiente, fa sì che il fotocatodo espelle uno o più elettroni. Quegli elettroni poi colpiscono un elettrodo, che espelle più elettroni. Facendo cascata attraverso una serie di elettrodi, il segnale originale viene amplificato di oltre un fattore di 1 milione per creare un segnale rilevabile.

Gli array PMT di LZ avranno bisogno di ogni bit di quella sensibilità per catturare i flash associati a un'interazione WIMP.

"Potremmo cercare eventi che emettano solo 20 fotoni in un enorme serbatoio contenente 10 tonnellate di xeno, che è qualcosa che il sistema visivo umano non sarebbe in grado di fare, " Gaitskell ha detto. "Ma è qualcosa che questi array possono fare, e avremo bisogno che lo facciano per vedere il segnale degli eventi di particelle rare".

I fotoni sono prodotti da quello che è noto come evento di rinculo nucleare, che produce due lampi distinti. Il primo arriva nel momento in cui un WIMP urta un nucleo di xeno. Il secondo, che arriva qualche centinaio di microsecondi dopo, è prodotto dal rimbalzo dell'atomo di xeno che è stato colpito. Rimbalza negli atomi che lo circondano, che libera alcuni elettroni. Gli elettroni vengono quindi trascinati da un campo elettrico nella parte superiore del serbatoio, dove raggiungono un sottile strato di gas xeno che li converte in luce.

Affinché quei piccoli lampi siano distinguibili dagli eventi in background indesiderati, il rivelatore deve essere protetto dai raggi cosmici e da altri tipi di radiazioni, che provocano anche l'accensione dello xeno liquido. Ecco perché l'esperimento si svolge sottoterra a SURF, un'ex miniera d'oro, dove il rilevatore sarà schermato da circa un miglio di roccia per limitare le interferenze.

La necessità di limitare le interferenze è anche la ragione per cui il team della Brown University era ossessionato dalla pulizia mentre assemblavano gli array. Il principale nemico della squadra era la semplice vecchia polvere.

"Quando hai a che fare con uno strumento sensibile come LZ, all'improvviso cose di cui normalmente non ti preoccuperesti prima di diventare molto serie, " ha detto Casey Rhyne, uno studente laureato alla Brown University che ha avuto un ruolo di primo piano nella costruzione degli array. "Una delle maggiori sfide che abbiamo dovuto affrontare è stata ridurre al minimo i livelli di polvere nell'ambiente durante il montaggio".

Ogni particella di polvere trasporta una minuscola quantità di uranio radioattivo e prodotti di decadimento del torio. La radiazione è incredibilmente piccola e non rappresenta una minaccia per le persone, ma troppi di quei granelli all'interno del rivelatore LZ potrebbero essere sufficienti per interferire con un segnale WIMP.

Infatti, il budget delle polveri per l'esperimento LZ prevede che non sia contenuto più di un grammo di polvere nell'intero strumento da 10 tonnellate. A causa di tutti i loro angoli e fessure, gli array PMT potrebbero essere importanti collettori di polvere se non si prendesse cura di mantenerli puliti durante la costruzione.

Il team della Brown University ha svolto la maggior parte del suo lavoro in una camera bianca "classe 1000", che non consente più di 1, 000 microscopiche particelle di polvere per piede cubo di spazio. E all'interno di quella camera bianca c'era uno spazio ancora più incontaminato che il team ha soprannominato "PALACE (PMT Array Lifting And Commissioning Enclosure)". PALACE era essenzialmente una stanza ultrapulita in cui si svolgeva gran parte dell'assemblaggio effettivo dell'array. PALACE era uno spazio di "classe 10", che non permetteva più di 10 particelle di polvere più grandi di un centesimo della larghezza di un capello umano per piede cubo.

Ma le preoccupazioni sulle radiazioni non si sono fermate alla polvere. Prima che iniziasse l'assemblaggio degli array, il team ha preselezionato ogni parte di ogni tubo PMT per valutare i livelli di radiazioni.

"Abbiamo chiesto ad Hamamatsu di inviarci tutti i materiali che avrebbero usato per la costruzione del PMT, e li mettiamo in un rilevatore di germanio sotterraneo, " ha detto Samuel Chan, uno studente laureato e un team leader del sistema PMT. "Questo rilevatore è molto bravo a rilevare le radiazioni emesse dai materiali da costruzione. Se i livelli di radiazioni intrinseche fossero sufficientemente bassi in questi materiali, poi abbiamo detto a Hamamatsu di andare avanti e usarli nella produzione di questi PMT".

Il team spera che tutto il lavoro svolto negli ultimi sei mesi darà i suoi frutti quando LZ inizierà la sua ricerca WIMP.

"Fare tutto subito avrà un impatto enorme tra meno di due anni, quando accendiamo il rilevatore completato e stiamo prendendo i dati, " Ha detto Gaitskell. "Saremo in grado di vedere direttamente da quei dati quanto sia stato buono il lavoro che abbiamo svolto noi e altre persone".

Dato il notevole aumento della sensibilità di ricerca della materia oscura che il rivelatore LZ può fornire rispetto a tutti gli esperimenti precedenti, il team spera che questo rivelatore identifichi e caratterizzi finalmente il vasto mare di cose che ci circonda tutti. Finora, la roba oscura è rimasta esasperantemente sfuggente.