Loppet pågår för att bygga det mest känsliga USA-baserade experimentet för att direkt upptäcka partiklar av mörk materia. Department of Energy -tjänstemän har formellt godkänt en viktig konstruktionsmilstolpe som kommer att driva projektet mot sitt mål för april 2020 för slutförande.

LUX-ZEPLIN (LZ) -experimentet, som kommer att byggas nästan en mil under jorden vid Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, S.D., anses vara en av de bästa satsningarna ännu för att avgöra om teoretiserade partiklar i mörk materia som kallas WIMP (svagt interagerande massiva partiklar) faktiskt existerar. Det finns andra kandidater för mörk materia, för, såsom "axioner" eller "sterila neutrinoer, "vilka andra experiment är bättre lämpade att utrota eller utesluta.

Det snabba schemat för LZ kommer att hjälpa USA att förbli konkurrenskraftigt med liknande nästa generations direktupptäckta experiment i mörk materia som planeras i Italien och Kina.

Den 9 februari kl. projektet klarade ett DOE-gransknings- och godkännandefas som kallas Critical Decision 3 (CD-3), som accepterar den slutliga konstruktionen och formellt lanserar konstruktion.

"Vi kommer att försöka gå så fort vi kan för att allt ska vara klart i april 2020, "sa Murdock" Gil "Gilchriese, LZ -projektledare och fysiker vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ledningslabbet för projektet. "Vi fick ett mycket starkt stöd för att gå snabbt och att vara först." LZ -samarbetet har nu cirka 220 deltagande forskare och ingenjörer som representerar 38 institutioner runt om i världen.

Mörk materiens natur-som fysiker beskriver som den osynliga komponenten eller den så kallade "saknade massan" i universum som skulle kunna förklara snabbare än väntat snurrningar av galaxer, och deras rörelse i kluster observerade över hela universum - har undvikit forskare sedan dess existens härleddes genom beräkningar av schweiziska astronomen Fritz Zwicky 1933.

Jakten på att ta reda på vad mörk materia är gjord av, eller att lära sig om det kan förklaras genom att finjustera de kända fysikaliska lagarna på nya sätt, anses vara en av de mest angelägna frågorna inom partikelfysik.

Efterföljande generationer av experiment har utvecklats för att ge extrem känslighet i sökningen som åtminstone kommer att utesluta några av de troliga kandidaterna och gömställen för mörk materia, eller kan leda till en upptäckt.

LZ kommer att vara minst 50 gånger mer känslig för att hitta signaler från partiklar av mörk materia än sin föregångare, experimentet Large Underground Xenon (LUX), som togs bort från SURF förra året för att ge plats åt LZ. Det nya experimentet kommer att använda 10 ton ultrarenat flytande xenon, att reta ut möjliga mörk materiesignaler. Xenon, i sin gasform, är ett av de sällsynta elementen i jordens atmosfär.

"Vetenskapen är mycket övertygande, så det förföljs av fysiker över hela världen, "sa Carter Hall, talespersonen för LZ -samarbetet och en docent i fysik vid University of Maryland. "Det är en vänlig och hälsosam tävling, med en stor upptäckt möjligen på spel. "

En planerad uppgradering till det nuvarande XENON1T -experimentet vid National Institute for Nuclear Physics Gran Sasso Laboratory (XENONnT -experimentet) i Italien, och Kinas planer på att främja arbetet med PandaX-II, är också avsedda att vara ledande underjordiska experiment som kommer att använda flytande xenon som medium för att söka efter en mörk materiesignal. Båda dessa projekt förväntas ha en liknande schema och skala till LZ, även om LZ -deltagare syftar till att uppnå en högre känslighet för mörk materia än dessa andra utmanare.

Hall noterade att medan WIMP är ett primärt mål för LZ och dess konkurrenter, LZ:s utforskningar av okänt territorium kan leda till en mängd överraskande upptäckter. "Människor utvecklar alla möjliga modeller för att förklara mörk materia, "sa han." LZ är optimerad för att observera en tung WIMP, men det är också känsligt för vissa mindre konventionella scenarier. Det kan också söka efter andra exotiska partiklar och sällsynta processer. "

LZ är utformad så att om en partikel av mörk materia kolliderar med en xenonatom, det kommer att producera en snabb ljusblixt följt av en andra ljusblixt när elektronerna som produceras i den flytande xenonkammaren driver till toppen. Ljuset pulserar, upptagna av en serie av cirka 500 ljusförstärkande rör som kantar den massiva tanken-mer än fyra gånger mer än vad som installerades i LUX-kommer att bära det fingeravtryck som finns hos partiklarna som skapade dem.

Daniel Akerib, Thomas Shutt, och Maria Elena Monzani leder LZ -teamet vid SLAC National Accelerator Laboratory. SLAC -insatsen inkluderar ett program för att rena xenon för LZ genom att ta bort krypton, ett element som vanligtvis finns i spårmängder med xenon efter standardförädlingsprocesser. "Vi har redan visat den rening som krävs för LZ och arbetar nu med sätt att ytterligare rena xenon för att utöka vetenskaplig räckvidd för LZ, "Sa Akerib.

SLAC- och Berkeley Lab-samarbetspartners utvecklar och testar också handvävda trådnät som drar ut elektriska signaler som produceras av partikelinteraktioner i vätskexenontanken. Prototyper i full storlek kommer att drivas senare i år på en SLAC-testplattform. "Dessa tester är viktiga för att säkerställa att näten inte producerar lågnivå elektrisk urladdning vid högspänning, eftersom utsläppet kan överbelasta en svag signal från mörk materia, sa Shutt.

Hugh Lippincott, en Wilson -stipendiat vid Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) och fysikkoordinatorn för LZ -samarbetet, sa, "Förutom ansträngningen att få detektorn byggd och ta data så snabbt som vi kan, Vi bygger också upp våra simulerings- och dataanalysverktyg så att vi kan förstå vad vi ser när detektorn startar. Vi vill vara redo för fysik så snart den första ljusblixten dyker upp i xenon. "Fermilab ansvarar för att implementera viktiga delar av det kritiska systemet som hanterar, renar, och kyler xenon.

Alla komponenter för LZ mäts noggrant för naturligt förekommande strålningsnivåer för att ta hänsyn till eventuella falska signaler som kommer från komponenterna själva. Ett dammfiltrerande renrum förbereds för LZ:s montering och en radonreducerande byggnad är under uppbyggnad på platsen i South Dakota-radon är en naturligt förekommande radioaktiv gas som kan störa upptäckt av mörka ämnen. Dessa steg är nödvändiga för att ta bort bakgrundssignaler så mycket som möjligt.

Kärlen som omger den flytande xenon, som är ansvariga för de brittiska deltagarna i samarbetet, monteras nu i Italien. De kommer att byggas med världens mest ultrarene titan för att ytterligare minska bakgrundsljud.

För att säkerställa att oönskade partiklar inte läses fel som signaler från mörk materia, LZ:s flytande xenonkammare kommer att omges av en annan vätskefylld tank och en separat uppsättning fotomultiplikatorrör som kan mäta andra partiklar och i stort sett lägga ned veto mot falska signaler. Brookhaven National Laboratory hanterar produktionen av en annan mycket ren vätska, känd som en scintillatorvätska, som kommer att gå in i denna tank.

Renrummen kommer att vara på plats i juni, Gilchriese sa:och förberedelse av grottan där LZ kommer att inhysas pågår på SURF. Montering och installation på plats börjar 2018, han lade till, och all xenon som behövs för projektet har antingen redan levererats eller är på kontrakt. Xenongas, som är dyrt att producera, används i belysning, medicinsk bildbehandling och anestesi, rymdfordons framdrivningssystem, och elektronikindustrin.

"South Dakota är stolta över att vara värd för LZ -experimentet på SURF och att bidra med 80 procent av xenon för LZ, "sa Mike Headley, verkställande direktör för South Dakota Science and Technology Authority (SDSTA) som övervakar SURF. "Vårt anläggningsarbete pågår och vi är på god väg att stödja LZ:s tidslinje."

Brittiska forskare, som utgör ungefär en fjärdedel av LZ-samarbetet, bidrar med hårdvara för de flesta delsystem. Henrique Araújo, från Imperial College London, sa, "Vi ser fram emot att se allt komma ihop efter en lång period av design och planering."

Kelly Hanzel, LZ -projektledare och en maskiningenjör från Berkeley Lab, Lagt till, "Vi har ett utmärkt samarbete och ett team av ingenjörer som ägnar sig åt projektets vetenskap och framgång." Den senaste milstolpen för godkännande, Hon sa, "är förmodligen det viktigaste steget hittills, "eftersom det föreskriver inköp av de flesta av de viktigaste komponenterna i LZ:s stödsystem.