Nyckelkomponenten i LUX-ZEPLIN-experimentet är redo att förseglas och sänkas nästan 1,5 km under jorden, där den kommer att söka efter mörk materia.

Mörk materia är en mystisk form av materia som tros utgöra cirka 85 procent av universums massa. Dock, eftersom det förutspås endast interagera mycket svagt med vanlig materia, det har hittills inte upptäckts.

LUX-ZEPLIN (LZ) kommer att bli det mest känsliga experimentet med mörk materia som någonsin byggts. Den 26 juli, forskare färdigmonterade sitt mittpunkt, flytande xenon Time Projection Chamber (TPC), vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota, U.S.A.

"Denna xenondetektor kommer att vara kärnan i LZ-experimentet med mörk materia, sa professor Henrique Araújo, från Institutionen för fysik vid Imperial College London, som leder LZ-samarbetet i Storbritannien och ledde utvecklingen av TPC tillsammans med professor Tom Shutt från SLAC National Accelerator Laboratory.

13, 500 timmars ansträngning

För att montera TPC, 250 medlemmar från 37 institutioner från hela världen samlades för att säkerställa den mekaniska, optisk, elektrisk, radiologiska och renhetskrav för projektet uppfylldes.

Tillverkningen av de tiotusentals komponenter som utgör TPC startade 2015, och montering av instrumentet påbörjades i december 2018. Integrationsskedet involverade 13, 500 timmars ansträngning-varav en betydande bråkdel ägnades åt att upprätthålla de nödvändiga ultrarene förhållandena vid monteringslaboratoriet på ytnivå.

Nästa, den kommer att sättas in i sitt kryostatkärl - en kammare som håller kalla temperaturer - och sänka nästan 1,5 km under jorden till en nedlagd guldgruva, redo att förhoppningsvis upptäcka mörk materia. Verksamheten är planerad att starta i mitten av 2020.

"Vi har några saker gemensamt med ett rymdprogram, " sa professor Araújo. "Innan du startar, du gör allt ditt arbete på marken i flera år, perfekta konstruktionen så att ditt instrument fungerar oavsett vad. LZ är lite som ett rymdexperiment, bara på väg åt motsatt håll. Vi kan inte utsätta den för underjordisk luft – det skulle äventyra dess prestanda. När du distribuerar den under jorden, det är allt. Det måste fungera. "

Upptäcker WIMPs

Väl under jorden, detektorn kommer att kylas till -100°C och fyllas med tio ton flytande xenon. Eftersom xenon är ett tungt element, det finns en större chans att xenonatomer som interagerar med materiepartiklarna hypotetiska mörka kallade wimps-svagt interagerande massiva partiklar.

Forskare tror att om en WIMP interagerar med en xenonatom, det kommer att producera två ljusblixtar. En dyker upp snabbt, när partikeln kolliderar med en xenonatom, som backar genom vätskan. Den andra genereras av elektroner som skakas av vid kollisionen, som styrs till toppen av detektorn och accelereras genom ett lager av gasformigt xenon ovanför vätskan.

Även om dessa blixtar skulle vara omärkliga för det mänskliga ögat, detektorn är fodrad med hundratals fotomultiplikatorrör. Dessa ultrakänsliga sensorer kan förstärka en signal från till och med en enda foton av ljus.

Decennier av utveckling

TPC designen anställd av LZ har fulländat under årtionden av experimenterande med liknande detektorer som tillåter forskare att bestämma var en interaktion sker, och om det är troligt på grund av en bakgrundsinteraktion i instrumentet eller en sann mörk materia-signal. Bland dessa var ZEPLIN-III-experimentet vid Boulby-gruvan i North Yorkshire, leds av Imperial, och det USA-ledda LUX-experimentet – som gav upphov till LZ.

Bli begravda djupt under marken skyddar experimentet från alltför många bakgrundsinteraktioner från processer lätt detekteras vid ytan som skulle kunna fördunkla en mörk materia signal, som de kosmiska strålarna som duschar jorden från yttre rymden.

Professor Shutt sa:"TPC är ett komplext system och det är en stor prestation att ha det helt monterat. Det tar oss ett viktigt steg närmare att kunna leta efter mörk materia.

"Det är också glädjande eftersom det handlade om montering ett stort antal delsystem konstruerade och byggda av grupper över hela USA och Storbritannien under ett antal år. Så, det är en slags sammankomst för samarbetet."