D:Come si ottiene un 5, 000 libbre, Rilevatore di particelle alto 9 piedi, progettato per cacciare la materia oscura, quasi un miglio sottoterra?

R:Con molta attenzione.

La settimana scorsa, le squadre della Sanford Underground Research Facility (SURF) nel South Dakota hanno legato il componente centrale di LUX-ZEPLIN (LZ) - il più grande esperimento di rilevamento diretto sulla materia oscura negli Stati Uniti - sotto un ascensore e l'hanno abbassato 4, 850 piedi lungo un pozzo precedentemente utilizzato nelle operazioni di estrazione dell'oro.

Questo viaggio finale del rivelatore centrale di LZ il 21 ottobre al suo luogo di riposo in una caverna di ricerca costruita su misura ha richiesto un'ampia pianificazione e ha coinvolto due movimenti di prova di un rivelatore "fittizio" per garantire la sua consegna sicura.

"Questa è stata la mossa più impegnativa di un sistema di rilevamento che abbia mai fatto in decenni di lavoro sugli esperimenti, " ha detto Jeff Cherwinka, l'ingegnere capo LZ dell'Università del Wisconsin, che ha guidato lo sforzo di pianificazione per il trasloco insieme agli ingegneri SURF e ad altro supporto.

Jake Davis, un ingegnere meccanico SURF che ha lavorato alla mossa del criostato, disse, "Tra le dimensioni del dispositivo, i confini dello spazio, e i molteplici gruppi coinvolti nel trasloco, l'intero processo ha richiesto una rigorosa attenzione sia alla progettazione che alla programmazione. Prima di posizionare il rilevatore sotto la gabbia, abbiamo fatto dei test con altre gru per vedere come avrebbe reagito in caso di sospensione. Abbiamo anche completato analisi e test per assicurarci che rimanesse bello e dritto nel pozzo".

Ha aggiunto, "La corsa è stata lenta, giusto circa 100 piedi al minuto. La corsa al 4, Il livello di 850 piedi richiede in genere 13-15 minuti. Oggi, ci sono voluti quasi 45 minuti. ho cavalcato nella gabbia, osservandolo attraverso un oblò di ispezione nel pavimento. C'è stato un enorme sospiro di sollievo dopo il trasloco, ma c'è ancora molto lavoro da fare per finire LZ".

Theresa Fruth, un ricercatore post-dottorato presso l'University College di Londra che lavora sul rivelatore centrale di LZ, ha affermato che mantenere LZ ben sigillato da eventuali contaminanti durante il suo viaggio era una priorità assoluta:anche le più piccole tracce di polvere e sporco potrebbero in definitiva influenzare le sue misurazioni.

"Dal punto di vista scientifico, volevamo che il rilevatore scendesse esattamente com'era in superficie, " ha detto. "L'integrità strutturale è incredibilmente importante, ma così è la pulizia, perché abbiamo costruito questo rilevatore per 10 mesi in una camera bianca. Prima del trasloco, il rilevatore è stato insaccato due volte, poi inserito nella struttura del trasportatore. Quindi, il trasportatore era avvolto con un altro strato di plastica resistente. Dobbiamo anche spostare tutte le nostre apparecchiature sottoterra in modo da poter svolgere il resto del lavoro di installazione sottoterra".

Il rivelatore centrale, noto come criostato LZ e camera di proiezione temporale, alla fine sarà riempito con 10 tonnellate di xeno liquido che verrà raffreddato a meno 148 gradi Fahrenheit. Gli scienziati sperano di vedere segnali rivelatori di particelle di materia oscura che vengono prodotte mentre interagiscono con gli atomi di xeno pesanti in questo criostato.

La forma liquida dello xeno, un elemento molto raro, è così denso che un pezzo di granito può galleggiare sulla sua superficie. È questa densità, a causa del pesante peso atomico dello xeno, questo lo rende un buon candidato per catturare le interazioni tra particelle.

Il criostato è un grande serbatoio, assemblato in titanio ultrapuro, è di circa 5,5 piedi di diametro. Contiene sistemi con un totale di 625 tubi fotomoltiplicatori posizionati in alto e in basso (vedi un articolo correlato). Questi tubi sono progettati per catturare lampi di luce prodotti nelle interazioni delle particelle.

Pawel Majewski del Rutherford Appleton Laboratory nel Regno Unito, che ha guidato la progettazione, fabbricazione, pulizia, e consegna della nave criostato interna di LZ per il Consiglio delle strutture scientifiche e tecnologiche del Regno Unito, disse, "Ora è estremamente gratificante vederlo... tenere il cuore dell'esperimento e riposare nel suo posto finale nel Davis Campus, un miglio sottoterra."

LZ è progettato per cacciare particelle di materia oscura teorizzate chiamate WIMP, o particelle massicce che interagiscono debolmente. La materia oscura costituisce circa il 27 percento dell'universo, anche se non sappiamo ancora di cosa sia fatto e l'abbiamo rilevato solo attraverso i suoi effetti gravitazionali sulla materia normale.

È 100 volte più sensibile del suo esperimento precedente, chiamato LUX, che operava nello stesso spazio sotterraneo. Posizionare LZ in profondità nel sottosuolo serve a proteggerlo da gran parte del costante bombardamento di particelle che sono presenti sulla superficie terrestre.

Il criostato di LZ sarà circondato da un serbatoio riempito con un liquido noto come scintillatore che sarà anche dotato di una serie di tubi fotomoltiplicatori ed è progettato per aiutare a eliminare i falsi segnali dal "rumore" di particelle indesiderate. E il criostato e il serbatoio dello scintillatore saranno incorporati all'interno di un grande serbatoio d'acqua che fornisce un ulteriore strato tampone dai segnali di particelle indesiderati.

Mentre il rilevatore principale di LUX era abbastanza piccolo da stare nell'ascensore SURF, Il criostato di LZ si adattava perfettamente al pozzo dell'ascensore.

È stato prima spostato all'esterno di una camera bianca a livello della superficie, prelevato con un muletto, e portato in posizione sotto la gabbia dell'ascensore. È stato quindi fissato alla parte inferiore della gabbia con imbracature e cinghie, dove fu lentamente spostato al livello della Davis Cavern, il suo ultimo luogo di riposo.

Una volta staccato dalla gabbia dell'ascensore, è stato spostato utilizzando pattini ad aria su una superficie assemblata temporaneamente, simile a come un disco da hockey si muove sulla superficie del tavolo. A causa delle dimensioni del criostato, le squadre hanno dovuto prima rimuovere temporaneamente i lavori dei condotti sotterranei per consentire lo spostamento.

Murdock "Gil" Gilchriese, Direttore del progetto LZ e fisico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), disse, "Prossimo, il criostato sarà avvolto con più strati di isolamento, e verranno installati alcuni altri componenti esterni." Berkeley Lab è l'istituzione principale per il progetto LZ.

"Poi verrà calato nel recipiente esterno del criostato, " ha aggiunto. "Ci vorranno mesi per collegare e controllare tutti i cavi e rendere tutto a tenuta di vuoto." La maggior parte del lavoro di LZ è ora concentrato sottoterra, Egli ha detto, con più turni di lavoro programmati per completare l'assemblaggio e l'installazione di LZ.

Ci sono piani per iniziare a testare il processo di liquefazione del gas xeno per LZ a novembre utilizzando un finto criostato, e per riempire il criostato vero e proprio di xeno nella primavera del 2020. Il completamento del progetto potrebbe arrivare non appena luglio 2020, ha detto Gilchriese.