Det amerikanska energidepartementet har godkänt finansiering och byggstart för SuperCDMS SNOLAB -experimentet, som kommer att börja arbeta i början av 2020 -talet för att jaga hypotetiska partiklar i mörk materia som kallas svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMP. Experimentet kommer att vara minst 50 gånger känsligare än föregångaren, utforska WIMP -egenskaper som inte kan undersökas av andra experiment och ge forskare ett kraftfullt nytt verktyg för att förstå ett av de största mysterierna i modern fysik.

DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory hanterar byggprojektet för det internationella SuperCDMS -samarbetet mellan 111 medlemmar från 26 institutioner, som förbereder sig för att forska med experimentet.

"Att förstå mörk materia är ett av de hetaste forskningsämnena - på SLAC och runt om i världen, "sa JoAnne Hewett, chef för SLAC:s grundläggande fysikdirektorat och laboratoriets forskningschef. "Vi är glada att leda projektet och samarbeta med våra partners för att bygga detta nästa generations experiment med mörk materia."

Med DOE -godkännanden, kallas kritiska beslut 2 och 3, forskarna kan nu bygga experimentet. DOE Office of Science kommer att bidra med 19 miljoner dollar till insatsen, samarbetar med National Science Foundation ($ 12 miljoner) och Canada Foundation for Innovation ($ 3 miljoner).

"Vårt experiment kommer att vara världens mest känsliga för relativt lätta WIMP - i ett massintervall från en bråkdel av protonmassan till cirka 10 protonmassor, "sade Richard Partridge, chef för SuperCDMS -gruppen vid Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), ett gemensamt institut för SLAC och Stanford University. "Denna oöverträffade känslighet kommer att skapa spännande möjligheter att utforska nytt territorium inom forskning om mörk materia."

En ultraljudssökning 6, 800 fot under jorden

Forskare vet att synlig materia i universum står för bara 15 procent av all materia. Resten är en mystisk substans, kallas mörk materia. På grund av dess dragkraft på vanligt material, mörk materia är en viktig drivkraft för universums utveckling, påverkar bildandet av galaxer som vårt Vintergatan. Det är därför grundläggande för vår egen existens.

Men forskare har ännu inte tagit reda på vad mörk materia är gjord av. De tror att det kan bestå av partiklar av mörk materia, och WIMP:er är de främsta utmanarna. Om dessa partiklar finns, de skulle knappt interagera med sin miljö och flyga rakt igenom vanlig materia orörd. Dock, så ofta, de kan kollidera med en atom i vår synliga värld, och forskare i mörk materia letar efter dessa sällsynta interaktioner.

I SuperCDMS SNOLAB -experimentet, sökningen kommer att göras med kisel- och germaniumkristaller, där kollisionerna skulle utlösa små vibrationer. Dock, för att mäta atomjiggles, kristallerna måste kylas till mindre än minus 459,6 grader Fahrenheit - en bråkdel av en grad över absolut noll temperatur. Dessa ultracolda förhållanden ger experimentet dess namn:Cryogenic Dark Matter Search, eller CDMS. Prefixet "Super" indikerar en ökad känslighet jämfört med tidigare versioner av experimentet.

Kollisionerna skulle också producera par av elektroner och elektronbrister som rör sig genom kristallerna, utlöser ytterligare atomvibrationer som förstärker signalen från den mörka materiekollisionen. Experimentet kommer att kunna mäta dessa "fingeravtryck" som lämnas av mörk materia med sofistikerad supraledande elektronik.

Experimentet kommer att monteras och drivas på det kanadensiska laboratoriet SNOLAB - 6, 800 fot under jord inne i en nickelgruva nära staden Sudbury. Det är det djupaste underjordiska laboratoriet i Nordamerika. Där kommer det att skyddas från högenergipartiklar, kallas kosmisk strålning, som kan skapa oönskade bakgrundssignaler.

"SNOLAB är glada över att välkomna SuperCDMS SNOLAB -samarbetet till det underjordiska labbet, "sa Kerry Loken, SNOLAB projektledare. "Vi ser fram emot ett fantastiskt partnerskap och för att stödja denna världsledande vetenskap."

Under de senaste månaderna, en detektorprototyp har testats framgångsrikt vid SLAC. "Dessa tester var en viktig demonstration av att vi kan bygga själva detektorn med tillräckligt hög energiupplösning, samt detektorelektronik med tillräckligt lågt brus för att uppnå våra forskningsmål, "sa KIPACs Paul Brink, som övervakar detektortillverkningen i Stanford.

Tillsammans med sju andra samarbetsinstitutioner, SLAC kommer att tillhandahålla experimentets mittpunkt i fyra detektortorn, var och en innehåller sex kristaller i form av överdimensionerade hockeypuckar. Det första tornet kunde skickas till SNOLAB i slutet av 2018.

"Detektortornen är den mest tekniskt utmanande delen av experimentet, driver gränserna för vår förståelse av lågtemperaturenheter och supraledande avläsning, sa Bernard Sadoulet, en medarbetare från University of California, Berkeley.

Ett starkt samarbete för extraordinär vetenskap

Förutom SLAC, två andra nationella laboratorier är involverade i projektet. Fermi National Accelerator Laboratory arbetar med experimentets invecklade avskärmnings- och kryogenikinfrastruktur, och Pacific Northwest National Laboratory hjälper till att förstå bakgrundssignaler i experimentet, en stor utmaning för detektering av svaga WIMP -signaler.

Ett antal amerikanska och kanadensiska universitet spelar också nyckelroller i experimentet, arbeta med uppgifter som sträcker sig från detektortillverkning och testning till dataanalys och simulering. Det största internationella bidraget kommer från Kanada och inkluderar forskningsinfrastrukturen vid SNOLAB.

"Vi har turen att ha ett nära nätverk av starka samarbetspartners, vilket är avgörande för vår framgång, "sa KIPACs Blas Cabrera, som ledde projektet genom milstolpen för godkännande av CD-2/3. "Detsamma gäller för det enastående stöd vi får från finansieringsorganen i USA och Kanada."

Fermilabs Dan Bauer, talesperson för SuperCDMS -samarbetet, sa, "Tillsammans är vi nu redo att bygga ett experiment som ska söka efter partiklar av mörk materia som interagerar med normal materia i en helt ny region."

SuperCDMS SNOLAB kommer att vara det senaste i en serie allt mer känsliga experiment i mörk materia. Den senaste versionen, ligger vid Soudan -gruvan i Minnesota, avslutade verksamheten 2015.

"Projektet har införlivat lärdomar från tidigare CDMS -experiment för att avsevärt förbättra experimentell infrastruktur och detektordesign för experimentet, "sa SLAC:s Ken Fouts, projektledare för SuperCDMS SNOLAB. "Kombinationen av designförbättringar, Den djupa platsen och infrastrukturstödet från SNOLAB gör att experimentet kan nå sin fulla potential i sökandet efter lågmassa av mörk materia. "