Члены бригады ЛЗ в резервуаре с водой ЛЗ после установки внешнего извещателя. Предоставлено: Мэтью Капуст/Sanford Underground Research Facility.

Главный посыл этого успешного стартапа: «Мы готовы, и все выглядит хорошо», — сказал старший физик Berkeley Lab и бывший представитель LZ Кевин Леско. «Это сложный детектор, состоящий из множества частей, и все они работают в соответствии с ожиданиями», — сказал он.

В статье, опубликованной сегодня на веб-сайте эксперимента, исследователи LZ сообщают, что с первого запуска LZ уже является самым чувствительным детектором темной материи в мире. Статья появится сегодня в онлайн-архиве препринтов arXiv.org. Представитель LZ Хью Липпинкотт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сказал: «Мы планируем собрать примерно в 20 раз больше данных в ближайшие годы, так что мы только начинаем. Нам предстоит много научных исследований, и это очень интересно».

Частицы темной материи никогда не обнаруживались, но, возможно, ненадолго. Обратный отсчет, возможно, начался с результатов первых 60 «живых дней» тестирования LZ. Эти данные были собраны за три с половиной месяца первоначальных операций, начавшихся в конце декабря. Этого периода было достаточно, чтобы подтвердить, что все аспекты детектора функционируют нормально.

Невидимая, поскольку она не излучает, не поглощает и не рассеивает свет, присутствие темной материи и гравитационное притяжение, тем не менее, имеют фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной. Например, присутствие темной материи, которая, по оценкам, составляет около 85 процентов от общей массы Вселенной, определяет форму и движение галактик, и исследователи обращаются к ней, чтобы объяснить то, что известно о крупномасштабной структуре и расширении. Вселенной.

Глядя на внешний детектор LZ, используемый для запрета радиоактивности, которая может имитировать сигнал темной материи. Предоставлено: Мэтью Капуст/Sanford Underground Research Facility.

Сердце детектора темной материи LZ состоит из двух вложенных друг в друга титановых резервуаров, заполненных десятью тоннами очень чистого жидкого ксенона и просматриваемых двумя наборами фотоумножителей (ФЭУ), способных обнаруживать слабые источники света. Титановые резервуары находятся в более крупной детекторной системе для улавливания частиц, которые могут имитировать сигнал темной материи.

«Я очень рад видеть, что этот сложный детектор готов решить давнюю проблему того, из чего состоит темная материя», — сказала директор физического отдела лаборатории Беркли Натали Паланк-Делабруй. «У команды LZ теперь есть самый амбициозный инструмент для этого».

Этапы проектирования, изготовления и установки LZ-детектора возглавлял директор проекта Berkeley Lab Джил Гилкриз совместно с международной группой из 250 ученых и инженеров из более чем 35 учреждений из США, Великобритании, Португалии и Южной Кореи. Операционным менеджером LZ является Саймон Фиоруччи из Berkeley Lab. Вместе команда надеется использовать этот инструмент для регистрации первых прямых свидетельств существования темной материи, так называемой недостающей массы космоса.

Энрике Араужо из Имперского колледжа Лондона возглавляет британские группы и ранее последний этап британской программы ZEPLIN-III. Он очень тесно сотрудничал с командой Беркли и другими коллегами, чтобы интегрировать международный вклад. «Мы начали с двух групп с разными взглядами, а закончили хорошо настроенным оркестром, слаженно работающим вместе, чтобы провести отличный эксперимент», — сказал Араужо.

Подземный детектор

Спрятанный примерно в миле под землей в SURF в Лиде, Южная Дакота, LZ предназначен для улавливания темной материи в виде слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP). Эксперимент проводится под землей, чтобы защитить его от космического излучения на поверхности, которое может заглушить сигналы темной материи.

(Слева) Схема детектора LZ. (Справа) Иллюстрация работы LZ - частицы взаимодействуют в жидком ксеноне, испуская вспышку света и заряд, которые собираются матрицами фотоумножителей вверху и внизу. Кредит: левая схема: сотрудничество LZ. Изображение справа: LZ/SLAC

Столкновения частиц в ксеноне вызывают видимые мерцания или вспышки света, которые регистрируются ФЭУ, объяснил Аарон Маналейсей из лаборатории Беркли, который в качестве координатора по физике руководил усилиями коллаборации по получению этих первых физических результатов. «Сотрудничество хорошо сработало, чтобы откалибровать и понять реакцию детектора», — сказал Маналайсай. «Учитывая, что мы только что включили его несколько месяцев назад и во время ограничений COVID, впечатляет, что мы уже получили такие значительные результаты».

Столкновения также будут выбивать электроны из атомов ксенона, заставляя их дрейфовать к верхней части камеры под действием приложенного электрического поля, где они производят еще одну вспышку, позволяющую реконструировать пространственное событие. Характеристики сцинтилляций помогают определить типы частиц, взаимодействующих в ксеноне.

Майк Хедли, исполнительный директор SURF Lab, сказал: «Вся команда SURF поздравляет LZ Collaboration с достижением этой важной вехи. Команда LZ была замечательным партнером, и мы гордимся тем, что принимаем их на SURF».

Фиоруччи сказал, что команда на месте заслуживает особой похвалы на этом этапе запуска, учитывая, что детектор был перевезен под землю в конце 2019 года, незадолго до начала пандемии COVID-19. Он сказал, что из-за того, что поездки строго ограничены, только несколько ученых LZ могут совершить поездку, чтобы помочь на месте. Команда в Южной Дакоте отлично позаботилась о LZ.

«Я хотел бы похвалить команду SURF, а также выразить благодарность большому количеству людей, которые обеспечивали удаленную поддержку на протяжении всего строительства ввода в эксплуатацию и эксплуатации LZ, многие из которых работали полный рабочий день из дома, чтобы убедиться, что эксперимент будет успешным, и продолжают делать это сейчас», — сказал Томаш Бесядзински из SLAC, менеджер по эксплуатации детектора LZ.

Центральный детектор LZ в чистой комнате подземного исследовательского центра в Сэнфорде после сборки перед тем, как отправиться под землю. Авторы и права: Мэтью Капуст, Сэнфордский подземный исследовательский центр.

«Многие подсистемы начали собираться вместе, когда мы начали собирать данные для ввода в эксплуатацию детектора, калибровки и научных исследований. Начало нового эксперимента — сложная задача, но у нас есть отличная команда LZ, которая тесно сотрудничала, чтобы помочь нам пройти через ранние этапы понимания.», — сказал Дэвид Вудворд из Университета штата Пенсильвания, который координирует планирование запуска детектора.

Мария Елена Монзани из SLAC, заместитель операционного директора по вычислительной технике и программному обеспечению, сказала: «На протяжении всего сотрудничества у нас были замечательные ученые и разработчики программного обеспечения, которые неустанно поддерживали перемещение данных, обработку данных и моделирование, обеспечивая безупречный ввод детектора в эксплуатацию. Поддержка NERSC [Национальный научно-вычислительный центр энергетических исследований] была неоценимой».

Леско сказал, что с подтверждением того, что LZ и его системы работают успешно, пришло время начать полномасштабные наблюдения в надежде, что частица темной материи очень скоро столкнется с атомом ксенона в детекторе LZ.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org