Forscher verzeichnen erfolgreiche Inbetriebnahme eines Detektors für Dunkle Materie in einer unterirdischen Forschungseinrichtung

Tief unter den Black Hills von South Dakota in der Sanford Underground Research Facility (SURF) hat ein innovativer und einzigartig empfindlicher Detektor für dunkle Materie – das LUX-ZEPLIN (LZ)-Experiment, das vom Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) geleitet wird – eine Prüfung bestanden Check-out-Phase des Inbetriebnahmebetriebs und lieferte erste Ergebnisse.

Die Take-Home-Message dieses erfolgreichen Startups: „Wir sind bereit und alles sieht gut aus“, sagte Kevin Lesko, leitender Physiker und ehemaliger LZ-Sprecher von Berkeley Lab. „Es ist ein komplexer Detektor mit vielen Teilen, die alle gut funktionieren und die Erwartungen erfüllen“, sagte er.

In einem Artikel, der heute online auf der Website des Experiments veröffentlicht wurde, berichten LZ-Forscher, dass LZ bereits mit dem ersten Lauf der weltweit empfindlichste Detektor für dunkle Materie ist. Das Papier wird noch heute im Online-Preprint-Archiv arXiv.org erscheinen. LZ-Sprecher Hugh Lippincott von der University of California Santa Barbara sagte: „Wir planen, in den kommenden Jahren etwa 20-mal mehr Daten zu sammeln, also fangen wir erst an. Es gibt viel zu tun und es ist sehr aufregend.“

Teilchen der Dunklen Materie wurden nie wirklich nachgewiesen – aber vielleicht nicht mehr lange. Der Countdown hat möglicherweise mit den Ergebnissen der ersten 60 „Live-Testtage“ von LZ begonnen. Diese Daten wurden über einen Zeitraum von dreieinhalb Monaten nach Inbetriebnahme ab Ende Dezember gesammelt. Dieser Zeitraum war lang genug, um zu bestätigen, dass alle Aspekte des Detektors gut funktionierten.

Unsichtbar, weil sie kein Licht emittiert, absorbiert oder streut, sind die Anwesenheit und die Anziehungskraft der Dunklen Materie dennoch grundlegend für unser Verständnis des Universums. Zum Beispiel formt das Vorhandensein von Dunkler Materie, die schätzungsweise etwa 85 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmacht, die Form und Bewegung von Galaxien und wird von Forschern angeführt, um zu erklären, was über die großräumige Struktur und Expansion bekannt ist des Universums.

Das Herz des LZ-Detektors für dunkle Materie besteht aus zwei verschachtelten Titantanks, die mit zehn Tonnen sehr reinem flüssigem Xenon gefüllt sind und von zwei Reihen von Photomultiplier-Röhren (PMTs) betrachtet werden, die in der Lage sind, schwache Lichtquellen zu erkennen. Die Titantanks befinden sich in einem größeren Detektorsystem, um Partikel einzufangen, die ein Signal der Dunklen Materie nachahmen könnten.

„Ich freue mich sehr, dass dieser komplexe Detektor bereit ist, das seit langem bestehende Problem anzugehen, woraus dunkle Materie besteht“, sagte Nathalie Palanque-Delabrouille, Direktorin der Berkeley Lab Physics Division. „Das LZ-Team hat jetzt das ehrgeizigste Instrument dafür in der Hand.“

Die Design-, Herstellungs- und Installationsphase des LZ-Detektors wurde von Gil Gilchriese, Projektleiter des Berkeley Lab, in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team von 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus über 35 Institutionen aus den USA, Großbritannien, Portugal und Südkorea geleitet. Der LZ-Betriebsleiter ist Simon Fiorucci von Berkeley Lab. Gemeinsam hofft die Kollaboration, mit dem Instrument den ersten direkten Nachweis von Dunkler Materie, der sogenannten fehlenden Masse des Kosmos, aufzuzeichnen.

Henrique Araújo vom Imperial College London leitet die britischen Gruppen und zuvor die letzte Phase des in Großbritannien ansässigen ZEPLIN-III-Programms. Er arbeitete sehr eng mit dem Berkeley-Team und anderen Kollegen zusammen, um die internationalen Beiträge zu integrieren. „Wir begannen mit zwei Gruppen mit unterschiedlichen Perspektiven und endeten mit einem hochgradig abgestimmten Orchester, das nahtlos zusammenarbeitete, um ein großartiges Experiment zu liefern“, sagte Araújo.

Ein unterirdischer Detektor

Etwa eine Meile unter der Erde bei SURF in Lead, SD, versteckt, wurde LZ entwickelt, um dunkle Materie in Form von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) einzufangen. Das Experiment befindet sich im Untergrund, um es vor kosmischer Strahlung an der Oberfläche zu schützen, die Signale der Dunklen Materie übertönen könnte.

Partikelkollisionen im Xenon erzeugen sichtbare Szintillationen oder Lichtblitze, die von den PMTs aufgezeichnet werden, erklärte Aaron Manalaysay vom Berkeley Lab, der als Physikkoordinator die Bemühungen der Zusammenarbeit leitete, diese ersten physikalischen Ergebnisse zu erzielen. „Die Zusammenarbeit hat gut funktioniert, um die Reaktion des Detektors zu kalibrieren und zu verstehen“, sagte Manalaysay. „Wenn man bedenkt, dass wir es erst vor ein paar Monaten und während der COVID-Einschränkungen eingeschaltet haben, ist es beeindruckend, dass wir bereits so signifikante Ergebnisse haben.“

Die Kollisionen werden auch Elektronen von Xenonatomen abschlagen und sie unter einem angelegten elektrischen Feld zum oberen Ende der Kammer treiben lassen, wo sie einen weiteren Blitz erzeugen, der die Rekonstruktion räumlicher Ereignisse ermöglicht. Die Eigenschaften der Szintillation helfen dabei, die Arten von Teilchen zu bestimmen, die im Xenon interagieren.

Mike Headley, Executive Director von SURF Lab, sagte: „Das gesamte SURF-Team gratuliert der LZ Collaboration zu diesem wichtigen Meilenstein. Das LZ-Team war ein wunderbarer Partner und wir sind stolz darauf, sie bei SURF begrüßen zu dürfen.“

Fiorucci sagte, das Team vor Ort verdiene bei diesem Meilenstein der Inbetriebnahme besonderes Lob, da der Detektor Ende 2019, kurz vor Ausbruch der COVID-19-Pandemie, in den Untergrund transportiert wurde. Er sagte, dass aufgrund der stark eingeschränkten Reisemöglichkeiten nur wenige LZ-Wissenschaftler die Reise antreten könnten, um vor Ort zu helfen. Das Team in South Dakota hat sich hervorragend um LZ gekümmert.

„Ich möchte mich dem Lob für das Team von SURF anschließen und mich auch bei der großen Anzahl von Menschen bedanken, die während des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von LZ Fernunterstützung geleistet haben, von denen viele Vollzeit von zu Hause aus arbeiteten Institutionen, die sicherstellen, dass das Experiment ein Erfolg wird, und dies auch jetzt tun“, sagte Tomasz Biesiadzinski von SLAC, Betriebsleiter des LZ-Detektors.

„Viele Subsysteme kamen zusammen, als wir anfingen, Daten für die Detektorinbetriebnahme, Kalibrierungen und den wissenschaftlichen Betrieb zu erfassen. Ein neues Experiment einzuschalten ist eine Herausforderung, aber wir haben ein großartiges LZ-Team, das eng zusammengearbeitet hat, um uns durch die frühen Phasen des Verständnisses zu bringen unser Detektor“, sagte David Woodward von der Pennsylvania State University, der die Planung des Detektorlaufs koordiniert.

Maria Elena Monzani von SLAC, die stellvertretende Betriebsleiterin für Computer und Software, sagte: „Wir hatten während der gesamten Zusammenarbeit hervorragende Wissenschaftler und Softwareentwickler, die unermüdlich die Datenbewegung, Datenverarbeitung und Simulationen unterstützten und eine reibungslose Inbetriebnahme des Detektors ermöglichten. Die Unterstützung von NERSC [National Energy Research Scientific Computing Center] war von unschätzbarem Wert.“

Mit der Bestätigung, dass LZ und seine Systeme erfolgreich arbeiten, sagte Lesko, ist es an der Zeit, mit umfassenden Beobachtungen zu beginnen, in der Hoffnung, dass ein Teilchen der Dunklen Materie sehr bald mit einem Xenonatom im LZ-Detektor kollidieren wird.