I forskarnas strävan efter bevis på mörk materia, fysikern Andrea Pocar från University of Massachusetts Amherst och hans studenter har spelat en viktig roll för att designa och bygga en viktig del av den argonbaserade DarkSide-50-detektorn som ligger under jord i Italiens Gran Sasso National Laboratory.

Denna vecka, forskare från hela världen som samlades vid University of California, Los Angeles, på Dark Matter 2018 Symposium fick veta om nya resultat i sökandet efter bevis för det svårfångade materialet i Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) av DarkSide-50-detektorn. WIMP har varit kandidat för mörka materialpartiklar i decennier, men hittills har ingen hittats.

Pocar säger att DarkSide-detektorn har visat den stora potentialen hos flytande argonteknik i sökandet efter så kallade "tunga WIMP, "de med en massa på cirka 100 till 10, 000 gånger massan av en proton. Ytterligare, han lägger till, den dubbelfasiga argontekniken som används av DarkSide-50-detektorn har oväntad kraft i sökandet efter "lågmassa WIMP, "med bara 1-10 gånger massan av en proton.

Han lägger till, "Komponenten vi tillverkade på UMass Amherst, med mycket dedikerade studenter inblandade från början, fungerar mycket bra. Det är spännande denna vecka att se den första rapporten om vår framgång komma ut på symposiet. "Hans doktorand Alissa Monte, som har studerat yt- och radonrelaterade bakgrunder med DarkSide-50, kommer att presentera en affisch vid UCLA -mötet.

Pocar säger, "Det finns en levande gemenskap av forskare runt om i världen som utför konkurrerande experiment i detta" lågmassiga "WIMP -område. Under de senaste två åren samlade vi in ​​data för en mätning som vi inte förväntade oss att kunna göra. Vid denna tidpunkt är vi i ett spel vi inte trodde att vi skulle kunna vara med i. Vi rapporterar om den höga känslighet vi har uppnått med instrumentet, som presterar bättre än förväntat. "Känslighet avser instrumentets förmåga att skilja mellan mörk materia och bakgrundsstrålning.

Mörk materia, Pocar förklarar, representerar cirka 25 procent av universums energiinnehåll och medan den har massa som kan härledas från gravitationseffekter, fysiker har stora svårigheter att upptäcka och identifiera det eftersom det knappast interagerar, Om överhuvudtaget, med "vanlig" materia genom andra krafter. "Mörk materia verkar inte alls vilja interagera särskilt mycket med det vi vet om, "konstaterar fysikern.

DarkSide-50-detektorn använder 50 kg flytande argon i en kärl, med en liten ficka med argongas på toppen, Pocar förklarar, som ett mål för att upptäcka WIMP:er. Forskarna hoppas på att en WIMP ska träffa kärnan i en argonatom i tanken, som sedan kan detekteras genom joniseringen som produceras av kärnkraftsrekylen i det omgivande argonmediet. Några av joniseringssignalen, proportionell mot den energi som avsatts inuti detektorn, samlas in genom att applicera ett elektriskt fält på målet, han förklarar.

En blixt av ljus produceras också i argon med jonisering, Säger Pocar. För tillräckligt höga energihändelser, ljuspulsen är tillräckligt stark för att kunna se skillnaden i "signatur" mellan en kärnkraftsrekyl som den som induceras av en WIMP, och elektronåterstötningar inducerade av bakgrunds- eller miljöradioaktivitet.

Pocars laboratorium utformat, gjort och installerat en av elektroderna som applicerar det elektriska fältet. Han säger, "För lågmassa WIMP, mängden energi som överförs till argons kärna av en WIMP är otroligt liten. Det är som att slå en biljardboll med en långsam pingisboll. Men en viktig sak för oss är att nu med två års data, vi har en utsökt förståelse för vår detektor och vi förstår alla händelser som inte är WIMP mycket bra. När du väl förstår din detektor, du kan tillämpa all den förståelsen i sökläge, och planera för uppföljningsexperiment. "

Cristiano Galbiati, talesman för DarkSide -projektet, sa vid veckans symposium, "Detta är det bästa sättet att starta äventyret i det framtida experimentet DarkSide-20k. Resultaten av DarkSide-50 ger stort förtroende för våra tekniska val och för möjligheten att genomföra ett övertygande upptäcktsprogram för mörk materia. Om en detektorteknik kommer någonsin att identifiera övertygande händelser som orsakas av mörk materia, det här blir det. "