LUX-ZEPLIN (LZ) detektorn för mörk materia, som snart kommer att börja leta efter de svårfångade partiklarna som tros stå för en majoritet av materia i universum, fick sin första uppsättning "ögon" levererad torsdag.

Den första av två stora matriser med fotomultiplikatorrör (PMT) - kraftfulla ljussensorer som kan upptäcka de svagaste blixtarna - slutförde en 2, 000 mil resa med lastbil från Rhode Island till Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, South Dakota, där LZ planeras att börja sin sökning efter mörk materia 2020.

Den andra matrisen kommer i januari. När LZ -detektorn är klar och påslagen, PMT-matriserna kommer att hålla noga koll på LZ:s 10-tons tank med flytande xenon, letar efter de två ljusblixtarna som berättas om en partikel av mörk materia stöter på en xenonatom inuti tanken.

Ett team av forskare och tekniker från Brown University har tillbringat de senaste sex månaderna noggrant med att sätta ihop de två matriserna, var och en cirka 5 fot i diameter och rymmer totalt 494 PMT.

"Leveransen av dessa matriser är toppen av en enorm monteringsinsats som vi har fått utföra här i vårt renrum, "sa Rick Gaitskell, en professor i fysik vid Brown University som övervakade konstruktionen av matriserna. "De senaste två åren har Vi har sett till att varje del som går in i enheterna fungerar som förväntat. Bara genom att göra det kan vi vara säkra på att allt kommer att fungera som vi vill när detektorn slås på. "

Brown -teamet har arbetat med forskare och ingenjörer från US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och från Imperial College London för att designa, anskaffa, testa, och montera alla komponenter i matrisen. Testning av PMT, som tillverkas av Hamamatsu Corp. i Japan, framfördes på Brown och vid Imperial College.

"Leveransen av det första utbudet av PMT för LZ till SURF är en kritisk milstolpe för LZ -projektet, "sa Murdock" Gil "Gilchriese från Berkeley Lab, som är projektledare för LZ.

Som förberedelse för ankomsten av PMT -arrays, forskare på SURF hade redan arbetat med prototypmatriser för att öva på att ansluta PMT:erna till en komplex kablagesekvens. Själva monteringen av dessa kablar till PMT kommer att ske i ett rent rum på SURF.

Ingen vet exakt vad mörk materia är. Forskare kan se effekterna av dess gravitation i rotationen av galaxer och hur ljuset böjer sig när det färdas över universum, men ingen har direkt upptäckt en partikel av mörk materia. Den ledande teoretiska kandidaten för en partikel av mörk materia är WIMP, eller svagt interagerande massiv partikel. WIMP kan inte ses eftersom de inte absorberar, avge, eller reflektera ljus. Och de interagerar med normal materia endast vid mycket sällsynta tillfällen, det är därför de är så svåra att upptäcka även när miljontals av dem reser genom jorden varje sekund.

LZ -experimentet, ett samarbete med mer än 250 forskare från 38 institutioner över hela världen, syftar till att fånga en av de flyktigt sällsynta WIMP -interaktioner, och därigenom karaktärisera partiklarna som tros utgöra mer än 80 procent av materien i universum. Detektorn kommer att vara den mest känsliga som någonsin byggts:100 gånger känsligare än LUX -detektorn, som avslutade sin sökning efter mörk materia på SURF 2016.

PMT -matriserna är en kritisk del av experimentet. Varje PMT är en 6 tum lång cylinder som är ungefär diametern på en läskburk. För att bilda matriser som är tillräckligt stora för att övervaka hela LZ -xenonmålet, hundratals PMT samlas ihop i en cirkulär titanmatris. Arrayen som kommer att ligga ovanpå xenon -målet har 253 PMT:er, medan den nedre matrisen har 241.

PMT är utformade för att förstärka svaga ljussignaler. När enskilda fotoner (ljuspartiklar) går in i en PMT, de slår en fotokatod. Om fotonen har tillräckligt med energi, det får fotokatoden att mata ut en eller flera elektroner. Dessa elektroner träffar sedan en elektrod, som matar ut fler elektroner. Genom att kaskad genom en serie elektroder förstärks originalsignalen med över en faktor 1 miljon för att skapa en detekterbar signal.

LZ:s PMT -matriser kommer att behöva all den känsligheten för att fånga blixtarna som är associerade med en WIMP -interaktion.

"Vi kan leta efter händelser som sänder så få som 20 fotoner i en enorm tank som innehåller 10 ton xenon, vilket är något som det mänskliga visuella systemet inte skulle kunna göra, "Sa Gaitskell." Men det är något dessa arrays kan göra, och vi behöver dem att göra det för att se signalen från sällsynta partikelhändelser. "

Fotonerna produceras av det som kallas en kärnkraftsrekylhändelse, som ger två distinkta blixtar. Den första kommer just nu när en WIMP stöter på en xenonkärna. Den andra, som kommer några hundra mikrosekunder efteråt, produceras av ricochet av xenonatomen som träffades. Den studsar in i atomerna som omger den, som slår några elektroner fria. Elektronerna drivs sedan av ett elektriskt fält till toppen av tanken, där de når ett tunt lager av xenongas som omvandlar dem till ljus.

För att dessa små blixtar ska kunna skiljas från oönskade bakgrundshändelser, detektorn måste skyddas från kosmiska strålar och andra typer av strålning, vilket också får flytande xenon att tändas. Det är därför experimentet äger rum under jorden på SURF, en tidigare guldgruva, där detektorn kommer att skärmas av cirka en mil sten för att begränsa störningar.

Behovet av att begränsa störningar är också anledningen till att Brown University -teamet besattes av renhet medan de monterade matriserna. Lagets främsta fiende var vanligt gammalt damm.

"När du har att göra med ett instrument som är lika känsligt som LZ, plötsligt blir saker som du normalt inte skulle bry dig om innan du blir väldigt allvarliga, "sa Casey Rhyne, en doktorand från Brown University som hade en ledande roll i att bygga arrays. "En av de största utmaningarna vi var tvungna att möta var att minimera omgivande dammnivåer under montering."

Varje dammpartikel bär en liten mängd radioaktivt uran och toriumförfallsprodukter. Strålningen är försvinnande liten och utgör inget hot mot människor, men för många av dessa fläckar inuti LZ -detektorn kan räcka för att störa en WIMP -signal.

Faktiskt, dammbudgeten för LZ-experimentet kräver att inte mer än ett gram damm finns i hela 10-toninstrumentet. På grund av alla deras vrår och vrår, PMT -matriserna kan vara betydande dammuppsamlare om de inte gör ont för att hålla dem rena under hela konstruktionen.

Brown University -teamet utförde det mesta av sitt arbete i ett renrum "klass 1000", som inte tillåter mer än 1, 000 mikroskopiska dammpartiklar per kubikfot utrymme. Och inom det rena rummet var ett ännu mer orört utrymme som laget kallade "PALACE (PMT Array Lifting And Commissioning Enclosure)." PALACE var i huvudsak ett ultraklint rum där mycket av den faktiska arraymonteringen ägde rum. PALACE var ett "klass 10" -utrymme - med högst 10 dammpartiklar större än en hundradel bredden av ett människohår per kubikfot.

Men strålningsbekymmerna stannade inte vid damm. Innan monteringen av matriserna började, laget förskärmade varje del av varje PMT -rör för att bedöma strålningsnivåer.

"Vi fick Hamamatsu att skicka oss allt material som de skulle använda för PMT -konstruktionen, och vi lägger dem i en underjordisk germaniumdetektor, "sade Samuel Chan, en doktorand och PMT -systemteamledare. "Denna detektor är mycket bra på att upptäcka strålningen som byggmaterialet avger. Om den inneboende strålningsnivån var tillräckligt låg i dessa material, då sa vi till Hamamatsu att fortsätta använda dem vid tillverkningen av dessa PMT. "

Teamet är hoppfullt om att allt arbete de lagt ner under de senaste sex månaderna kommer att ge utdelning när LZ startar sin WIMP -sökning.

"Att få allt just nu kommer att ha en enorm inverkan om mindre än två år från nu, när vi slår på den färdiga detektorn och vi tar data, "Sa Gaitskell." Vi kommer att kunna se direkt från dessa uppgifter hur bra jobb vi och andra människor har gjort. "

Med tanke på den stora ökningen av sökkänslighet för mörk materia som LZ -detektorn kan leverera jämfört med alla tidigare experiment, laget hoppas att denna detektor äntligen kommer att identifiera och karakterisera det stora havet av saker som omger oss alla. Än så länge, de mörka grejerna har förblivit galet svårfångade.