Il componente chiave dell'esperimento LUX-ZEPLIN è pronto per essere sigillato e calato a quasi 1,5 km sottoterra, dove cercherà la materia oscura.

La materia oscura è una misteriosa forma di materia che si pensa costituisca circa l'85% della massa dell'universo. Però, perché si prevede che interagisca solo molto debolmente con la materia ordinaria, finora non è stato rilevato.

LUX-ZEPLIN (LZ) sarà l'esperimento sulla materia oscura più sensibile mai realizzato. Il 26 luglio, i ricercatori hanno finito di assemblare il suo centrotavola, la camera di proiezione del tempo allo xeno liquido (TPC), presso la struttura di ricerca sotterranea di Sanford in South Dakota, NOI..

"Questo rivelatore di xeno sarà al centro dell'esperimento LZ sulla materia oscura, " ha detto il professor Henrique Araújo, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial College di Londra, che guida gli sforzi di collaborazione LZ nel Regno Unito e ha co-guidato lo sviluppo del TPC con il professor Tom Shutt dello SLAC National Accelerator Laboratory.

13, 500 ore di fatica

Per assemblare il TPC, 250 membri di 37 istituzioni di tutto il mondo si sono riuniti per garantire la meccanica, ottico, elettrico, sono stati soddisfatti i requisiti radiologici e di pulizia del progetto.

La produzione delle decine di migliaia di componenti che compongono il TPC è iniziata nel 2015, e l'assemblaggio dello strumento è iniziato nel dicembre 2018. La fase di integrazione ha coinvolto 13, 500 ore di lavoro, una parte significativa delle quali è stata dedicata al mantenimento delle condizioni di ultrapulizia richieste nel laboratorio di assemblaggio a livello della superficie.

Prossimo, sarà inserito nel suo recipiente criostato, una camera che mantiene le temperature fredde, e calato di quasi 1,5 km sottoterra in una miniera d'oro in disuso, pronto, si spera, a rilevare la materia oscura. L'inizio delle operazioni è previsto per la metà del 2020.

"Abbiamo alcune cose in comune con un programma spaziale, " disse il professor Araújo. "Prima di lanciare, fai tutto il tuo lavoro a terra da anni, perfezionare l'ingegneria in modo che il tuo strumento funzioni in ogni caso. LZ è un po' come un esperimento spaziale, appena diretto nella direzione opposta. Non possiamo esporlo all'aria sotterranea, che ne comprometterebbe le prestazioni. Una volta distribuito sottoterra, questo è tutto. Deve funzionare".

Rilevamento di WIMP

Una volta sottoterra, il rivelatore sarà raffreddato a -100°C e riempito con dieci tonnellate di xeno liquido. Poiché lo xeno è un elemento pesante, c'è una maggiore possibilità che gli atomi di xeno interagiscano con ipotetiche particelle di materia oscura chiamate WIMP, particelle massicce che interagiscono debolmente.

I ricercatori ritengono che se una WIMP interagisce con un atomo di xeno, produrrà due lampi di luce. Uno appare prontamente, quando la particella si scontra con un atomo di xeno, che si ritrae attraverso il liquido. Il secondo è generato da elettroni scacciati dall'urto, che vengono guidati alla sommità del rivelatore e accelerati attraverso uno strato di xenon gassoso sopra il liquido.

Sebbene questi lampi sarebbero impercettibili all'occhio umano, il rivelatore è rivestito con centinaia di tubi fotomoltiplicatori. Questi sensori ultrasensibili possono amplificare un segnale anche da un singolo fotone di luce.

Decenni di sviluppo

Il design TPC impiegato da LZ è stato perfezionato in decenni di sperimentazione con rivelatori simili che consentono ai ricercatori di determinare dove avviene un'interazione, e se è probabile che sia dovuto a un'interazione di fondo nello strumento o a un vero segnale di materia oscura. Tra questi c'era l'esperimento ZEPLIN-III alla Boulby Mine nel North Yorkshire, guidato da Imperiale, e l'esperimento LUX condotto dagli Stati Uniti, che ha dato origine a LZ.

Essere sepolti in profondità protegge l'esperimento da troppe interazioni di fondo da processi facilmente rilevabili in superficie che potrebbero oscurare un segnale di materia oscura, come i raggi cosmici che inondano la Terra dallo spazio.

Il professor Shutt ha dichiarato:"Il TPC è un sistema complesso ed è un risultato importante averlo completamente assemblato. Ci porta un importante passo avanti verso l'essere in grado di cercare la materia oscura.

"È anche gratificante perché ha comportato l'assemblaggio di un gran numero di sottosistemi progettati e costruiti da gruppi negli Stati Uniti e nel Regno Unito per un certo numero di anni. Quindi, è una sorta di incontro per la collaborazione."