Seduto a un miglio sotto terra in una miniera d'oro abbandonata nel South Dakota c'è un gigantesco cilindro che contiene 10 tonnellate di xeno liquido purificato, osservato da vicino da più di 250 scienziati in tutto il mondo. Quel serbatoio di xeno è il cuore dell'esperimento LUX-ZEPLIN (LZ), uno sforzo per rilevare la materia oscura, la misteriosa sostanza invisibile che costituisce l'85% della materia nell'universo.

"Le persone sono alla ricerca della materia oscura da oltre 30 anni e nessuno ha ancora avuto un rilevamento convincente", ha affermato Dan Akerib, professore di fisica delle particelle e astrofisica presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia (DOE). Ma con l'aiuto di scienziati, ingegneri e ricercatori in tutto il mondo, Akerib e i suoi colleghi hanno reso l'esperimento LZ uno dei rivelatori di particelle più sensibili del pianeta.

Per raggiungere quel punto, i ricercatori SLAC hanno sviluppato la loro esperienza nel lavorare con i nobili liquidi, le forme liquide di gas nobili come lo xeno, incluso il progresso delle tecnologie utilizzate per purificare i nobili liquidi stessi e i sistemi per rilevare le interazioni rare della materia oscura all'interno di quei liquidi. E, ha detto Akerib, ciò che i ricercatori hanno appreso aiuterà non solo la ricerca della materia oscura, ma anche altri esperimenti alla ricerca di processi fisici delle particelle rare.

"Questi sono davvero profondi misteri della natura, e questa confluenza di comprensione del molto grande e molto piccolo allo stesso tempo è molto eccitante", ha detto Akerib. "È possibile che possiamo imparare qualcosa di completamente nuovo sulla natura".

Alla ricerca di materia oscura nel sottosuolo

Un attuale candidato leader per la materia oscura sono le particelle massicce debolmente interagenti, o WIMP. Tuttavia, come suggerisce l'acronimo, i WIMP interagiscono a malapena con la materia ordinaria, il che li rende molto difficili da rilevare, nonostante in teoria ce ne siano molti che passano continuamente davanti a noi.

Per affrontare questa sfida, l'esperimento LZ è andato per la prima volta nel sottosuolo nell'ex miniera d'oro di Homestake, che ora è la Sanford Underground Research Facility (SURF) a Lead, nel South Dakota. Lì, l'esperimento è ben protetto dal costante bombardamento dei raggi cosmici sulla superficie terrestre, una fonte di rumore di fondo che potrebbe rendere difficile individuare la materia oscura difficile da trovare.

Anche allora, trovare la materia oscura richiede un rivelatore sensibile. Per questo motivo, gli scienziati guardano ai gas nobili, che notoriamente sono anche riluttanti a reagire con qualsiasi cosa. Ciò significa che ci sono pochissime opzioni su cosa potrebbe accadere quando una particella di materia oscura, o WIMP, interagisce con l'atomo di un gas nobile, e quindi una minore possibilità che gli scienziati perdano un'interazione già difficile da trovare.

Ma quale nobile? A quanto pare, "lo xeno è un nobile particolarmente buono per rilevare la materia oscura", ha detto Akerib. La materia oscura interagisce più fortemente con i nuclei e l'interazione diventa ancora più forte con la massa atomica dell'atomo, ha spiegato Akerib. Ad esempio, gli atomi di xeno sono poco più di tre volte più pesanti degli atomi di argon, ma ci si aspetta che abbiano interazioni con la materia oscura più di dieci volte più forti.

Un altro vantaggio:"Una volta purificati altri contaminanti dallo xeno liquido, sarà di per sé molto silenzioso", ha detto Akerib. In altre parole, è improbabile che il naturale decadimento radioattivo dello xeno ostacoli il rilevamento delle interazioni tra WIMP e atomi di xeno.

Solo lo xeno, per favore

Il trucco, ha detto Akerib, è ottenere xeno puro, senza il quale tutti i vantaggi del gas nobile sono discutibili. Tuttavia, i gas nobili purificati non sono facilmente disponibili:il fatto che non interagiscano con nulla significa anche che generalmente sono piuttosto difficili da separare l'uno dall'altro. E "purtroppo non puoi semplicemente acquistare un purificatore pronto all'uso che purificherà i gas nobili", ha detto Akerib.

Akerib e i suoi colleghi dello SLAC hanno quindi dovuto trovare un modo per purificare tutto lo xeno liquido di cui avevano bisogno per il rivelatore.

Il più grande contaminante nello xeno è il krypton, che è il prossimo gas nobile più leggero e ha un isotopo radioattivo, che potrebbe mascherare le interazioni che i ricercatori stanno effettivamente cercando. Per evitare che il krypton diventasse la kryptonite del rivelatore di particelle, Akerib e i suoi colleghi hanno trascorso diversi anni a perfezionare una tecnica di purificazione allo xeno usando quella che viene chiamata gascromatografia a carbone. L'idea di base è quella di separare gli ingredienti in una miscela in base alle loro proprietà chimiche poiché la miscela viene trasportata attraverso una sorta di mezzo. La gascromatografia a carboncino utilizza l'elio come gas di trasporto per la miscela e il carbone come mezzo di separazione.

"Puoi pensare all'elio come a una brezza costante attraverso il carbone", ha spiegato Akerib. "Ogni atomo di xeno e krypton trascorre una frazione di tempo bloccato sul carbone e un po' di tempo sbloccato. Quando gli atomi sono in uno stato non bloccato, la brezza di elio li spazza lungo la colonna". Gli atomi di gas nobili sono meno appiccicosi quanto più piccoli sono, il che significa che il krypton è in qualche modo meno appiccicoso dello xeno, quindi viene spazzato via dalla "brezza" di elio non appiccicosa, separando così lo xeno dal krypton. I ricercatori potrebbero quindi catturare il krypton e gettarlo via e poi recuperare lo xeno, ha detto Akerib. "L'abbiamo fatto per qualcosa come 200 bombole di gas xeno:è stata una campagna piuttosto ampia".

L'esperimento LZ non è il primo esperimento che SLAC è stato coinvolto nel tentativo di ricercare una nuova fisica con lo xeno. L'esperimento Enriched Xenon Observatory (EXO-200), che si è svolto dal 2011 al 2018, ha isolato uno specifico isotopo dello xeno per cercare un processo chiamato doppio decadimento beta senza neutrini. I risultati dell'esperimento hanno suggerito che il processo è inimmaginabilmente raro, ma una nuova ricerca proposta denominata Next EXO (nEXO) continuerà la ricerca utilizzando un rilevatore simile a LZ.

A different sort of electrical grid

No matter what liquid noble fills the detector, a sophisticated detection system is crucial if scientists ever hope to find something like dark matter. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Esplora ulteriormente

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector