Des chercheurs enregistrent le démarrage réussi d’un détecteur de matière noire dans une installation de recherche souterraine

Au fond des Black Hills du Dakota du Sud, dans le Sanford Underground Research Facility (SURF), un détecteur de matière noire innovant et d’une sensibilité unique – l’expérience LUX-ZEPLIN (LZ), dirigée par Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) – a passé un phase de vérification des opérations de démarrage et a livré les premiers résultats.

Le message à retenir de cette startup à succès : « Nous sommes prêts et tout va bien », a déclaré Kevin Lesko, physicien senior du Berkeley Lab et ancien porte-parole de LZ. « C’est un détecteur complexe avec de nombreuses pièces et elles fonctionnent toutes bien dans les attentes », a-t-il déclaré.

Dans un article publié aujourd’hui en ligne sur le site Web de l’expérience, les chercheurs de LZ rapportent qu’avec la première exécution, LZ est déjà le détecteur de matière noire le plus sensible au monde. Le document apparaîtra sur les archives de préimpression en ligne arXiv.org plus tard dans la journée. Le porte-parole de LZ, Hugh Lippincott, de l’Université de Californie à Santa Barbara, a déclaré : « Nous prévoyons de collecter environ 20 fois plus de données dans les années à venir, donc nous ne faisons que commencer. Il y a beaucoup de science à faire et c’est très excitant. »

Les particules de matière noire n’ont jamais été détectées, mais peut-être plus depuis longtemps. Le compte à rebours a peut-être commencé avec les résultats des 60 premiers « jours en direct » de tests de LZ. Ces données ont été recueillies sur une période de trois mois et demi d’opérations initiales commençant fin décembre. Ce fut une période suffisamment longue pour confirmer que tous les aspects du détecteur fonctionnaient bien.

Invisible, parce qu’elle n’émet, n’absorbe ou ne diffuse pas de lumière, la présence et l’attraction gravitationnelle de la matière noire sont néanmoins fondamentales pour notre compréhension de l’univers. Par exemple, la présence de matière noire, estimée à environ 85 % de la masse totale de l’univers, façonne la forme et le mouvement des galaxies, et elle est invoquée par les chercheurs pour expliquer ce que l’on sait de la structure et de l’expansion à grande échelle. de l’univers.

Le cœur du détecteur de matière noire LZ est composé de deux réservoirs en titane imbriqués remplis de dix tonnes de xénon liquide très pur et visualisés par deux réseaux de tubes photomultiplicateurs (PMT) capables de détecter de faibles sources de lumière. Les réservoirs en titane résident dans un système de détection plus grand pour attraper les particules qui pourraient imiter un signal de matière noire.

« Je suis ravie de voir ce détecteur complexe prêt à résoudre le problème de longue date de la composition de la matière noire », a déclaré Nathalie Palanque-Delabrouille, directrice de la division physique de Berkeley Lab. « L’équipe LZ a maintenant en main l’instrument le plus ambitieux pour y parvenir. »

Les phases de conception, de fabrication et d’installation du détecteur LZ ont été dirigées par le directeur du projet Berkeley Lab, Gil Gilchriese, en collaboration avec une équipe internationale de 250 scientifiques et ingénieurs de plus de 35 institutions des États-Unis, du Royaume-Uni, du Portugal et de Corée du Sud. Le directeur des opérations de LZ est Simon Fiorucci de Berkeley Lab. Ensemble, la collaboration espère utiliser l’instrument pour enregistrer la première preuve directe de matière noire, la soi-disant masse manquante du cosmos.

Henrique Araújo, de l’Imperial College de Londres, dirige les groupes britanniques et, auparavant, la dernière phase du programme ZEPLIN-III basé au Royaume-Uni. Il a travaillé en étroite collaboration avec l’équipe de Berkeley et d’autres collègues pour intégrer les contributions internationales. « Nous avons commencé avec deux groupes avec des perspectives différentes et nous nous sommes retrouvés avec un orchestre très accordé travaillant ensemble de manière transparente pour offrir une grande expérience », a déclaré Araújo.

Un détecteur souterrain

Niché à environ un mile sous terre à SURF à Lead, SD, LZ est conçu pour capturer la matière noire sous la forme de particules massives à faible interaction (WIMP). L’expérience est souterraine pour la protéger du rayonnement cosmique à la surface qui pourrait noyer les signaux de matière noire.

Les collisions de particules dans le xénon produisent une scintillation visible ou des éclairs de lumière, qui sont enregistrés par les PMT, a expliqué Aaron Manalaysay de Berkeley Lab, qui, en tant que coordinateur de physique, a dirigé les efforts de la collaboration pour produire ces premiers résultats de physique. « La collaboration a bien fonctionné pour calibrer et comprendre la réponse du détecteur », a déclaré Manalaysay. « Étant donné que nous venons de l’activer il y a quelques mois et pendant les restrictions COVID, il est impressionnant que nous ayons déjà des résultats aussi significatifs. »

Les collisions feront également tomber les électrons des atomes de xénon, les envoyant dériver vers le haut de la chambre sous un champ électrique appliqué où ils produiront un autre flash permettant la reconstruction d’événements spatiaux. Les caractéristiques de la scintillation aident à déterminer les types de particules interagissant dans le xénon.

Mike Headley, directeur exécutif de SURF Lab, a déclaré : « Toute l’équipe SURF félicite la collaboration LZ pour avoir franchi cette étape majeure. L’équipe LZ a été un partenaire formidable et nous sommes fiers de les accueillir à SURF.

Fiorucci a déclaré que l’équipe sur site méritait des éloges particuliers à cette étape de démarrage, étant donné que le détecteur a été transporté sous terre fin 2019, juste avant le début de la pandémie de COVID-19. Il a déclaré que les déplacements étant sévèrement limités, seuls quelques scientifiques de la LZ pourraient faire le voyage pour aider sur place. L’équipe du Dakota du Sud s’est très bien occupée de LZ.

« Je voudrais appuyer les éloges de l’équipe de SURF et je voudrais également exprimer ma gratitude au grand nombre de personnes qui ont fourni une assistance à distance tout au long de la construction, de la mise en service et des opérations de LZ, dont beaucoup ont travaillé à temps plein depuis leur domicile. institutions s’assurant que l’expérience serait un succès et continuent de le faire maintenant », a déclaré Tomasz Biesiadzinski du SLAC, le responsable des opérations du détecteur LZ.

« De nombreux sous-systèmes ont commencé à se rassembler lorsque nous avons commencé à collecter des données pour la mise en service du détecteur, les étalonnages et l’exécution scientifique. Lancer une nouvelle expérience est un défi, mais nous avons une excellente équipe LZ qui a travaillé en étroite collaboration pour nous faire traverser les premières étapes de la compréhension. notre détecteur », a déclaré David Woodward de l’Université d’État de Pennsylvanie, qui coordonne la planification du fonctionnement du détecteur.

Maria Elena Monzani du SLAC, directrice adjointe des opérations pour l’informatique et les logiciels, a déclaré : « Nous avons eu des scientifiques et des développeurs de logiciels incroyables tout au long de la collaboration, qui ont soutenu sans relâche le mouvement des données, le traitement des données et les simulations, permettant une mise en service sans faille du détecteur. Le soutien du NERSC [National Energy Research Scientific Computing Center] était inestimable. »

Avec la confirmation que LZ et ses systèmes fonctionnent avec succès, a déclaré Lesko, il est temps de commencer les observations à grande échelle dans l’espoir qu’une particule de matière noire entrera très bientôt en collision avec un atome de xénon dans le détecteur LZ.