Sitter en mil under marken i en övergiven guldgruva i South Dakota finns en gigantisk cylinder som rymmer 10 ton renat flytande xenon noga övervakad av mer än 250 forskare runt om i världen. Den tanken av xenon är hjärtat i LUX-ZEPLIN (LZ)-experimentet, ett försök att upptäcka mörk materia – den mystiska osynliga substansen som utgör 85 % av materien i universum.

"Människor har letat efter mörk materia i över 30 år, och ingen har haft en övertygande upptäckt ännu", säger Dan Akerib, professor i partikelfysik och astrofysik vid Department of Energy (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Men med hjälp av forskare, ingenjörer och forskare runt om i världen har Akerib och hans kollegor gjort LZ-experimentet till en av de känsligaste partikeldetektorerna på planeten.

För att nå den punkten byggde SLAC-forskare på sin expertis i att arbeta med flytande ädelämnen - de flytande formerna av ädelgaser som xenon - inklusive att utveckla de teknologier som används för att rena flytande ädlar själva och systemen för att upptäcka sällsynta mörk materiainteraktioner i dessa vätskor. Och, sa Akerib, vad forskare har lärt sig kommer inte bara att hjälpa sökandet efter mörk materia, utan också andra experiment som söker efter sällsynta partikelfysiska processer.

"Detta är verkligen djupa mysterier i naturen, och det här sammanflödet av att förstå det mycket stora och det lilla på samma gång är väldigt spännande," sa Akerib. "Det är möjligt att vi kan lära oss något helt nytt om naturen."

Letar efter mörk materia djupt under jorden

En nuvarande ledande kandidat för mörk materia är svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMPs. Men, som förkortningen antyder, interagerar WIMPs knappt med vanlig materia, vilket gör dem mycket svåra att upptäcka, trots att det teoretiskt sett är många av dem som går förbi oss hela tiden.

För att hantera den utmaningen gick LZ-experimentet först djupt under jorden i den tidigare Homestake-guldgruvan, som nu är Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, South Dakota. Där är experimentet väl skyddat från det ständiga bombardementet av kosmiska strålar på jordens yta – en källa till bakgrundsljud som kan göra det svårt att plocka fram svårupptäckt mörk materia.

Även då krävs en känslig detektor för att hitta mörk materia. Av den anledningen ser forskare till ädelgaser, som också är notoriskt ovilliga att reagera med någonting. Det betyder att det finns väldigt få alternativ för vad som kan hända när en mörk materia partikel, eller WIMP, interagerar med atomen i en ädelgas, och därför en lägre chans att forskare missar en redan svår att hitta interaktion.

Men vilken ädel? Som det visar sig, "xenon är en särskilt bra ädel för att upptäcka mörk materia," sa Akerib. Mörk materia interagerar starkast med kärnor, och interaktionen blir ännu starkare med atomens atommassa, förklarade Akerib. Till exempel är xenonatomer lite mer än tre gånger så tunga som argonatomer, men de förväntas ha interaktioner med mörk materia som är mer än tio gånger så starka.

En annan fördel:"När du renar andra föroreningar ur det flytande xenonet, kommer det att bli väldigt radiotyst av sig självt," sa Akerib. Med andra ord är det osannolikt att det naturliga radioaktiva sönderfallet av xenon kommer i vägen för att upptäcka interaktionerna mellan WIMP och xenonatomer.

Bara xenon, tack

Tricket, sa Akerib, är att få ren xenon, utan vilken alla fördelar med ädelgasen är omtvistade. Men renade ädelgaser är inte lätt tillgängliga - det faktum att de inte interagerar med mycket av någonting betyder också att de i allmänhet är ganska svåra att separera från varandra. Och, "tyvärr kan du inte bara köpa en renare från hyllan som kommer att rena ädelgaser," sa Akerib.

Akerib och hans kollegor på SLAC var därför tvungna att hitta ett sätt att rena allt flytande xenon de behövde för detektorn.

Den största föroreningen i xenon är krypton, som är den näst lättaste ädelgasen och har en radioaktiv isotop, som kan maskera de interaktioner som forskarna faktiskt letar efter. För att förhindra att krypton blir partikeldetektorns kryptonit, tillbringade Akerib och hans kollegor flera år på att fullända en xenonrenande teknik med hjälp av vad som kallas gaskolkromatografi. Grundtanken är att separera ingredienser i en blandning utifrån deras kemiska egenskaper då blandningen förs genom något slags medium. Gaskolkromatografi använder helium som bärgas för blandningen och träkol som separationsmedium.

"Du kan tänka på heliumet som en stadig bris genom kolet," förklarade Akerib. "Varje xenon- och kryptonatom tillbringar en bråkdel av tiden fast på kolet och en del tid fast. När atomerna är i ett tillstånd som inte har fastnat, sveper heliumbrisen ner dem i kolonnen." Ädelgasatomer är mindre klibbiga ju mindre de är, vilket betyder att krypton är något mindre klibbigt än xenonet, så det sveps bort av den icke-klibbiga helium-"vinden", vilket skiljer xenonet från kryptonet. Forskarna kunde sedan fånga kryptonet och kasta det och sedan återvinna xenonet, sa Akerib. "Vi gjorde det för ungefär 200 cylindrar xenongas - det var en ganska stor kampanj."

LZ-experimentet är inte det första experimentet som SLAC har varit involverat i ett försök att söka efter ny fysik med xenon. Experimentet Enriched Xenon Observatory (EXO-200), som pågick från 2011 till 2018, isolerade en specifik xenonisotop för att söka efter en process som kallas neutrinolös dubbel beta-sönderfall. Resultaten från experimentet antydde att processen är ofattbart sällsynt, men en ny föreslagen sökning kallad Next EXO (nEXO) kommer att fortsätta sökningen med en detektor som liknar LZ:s.

A different sort of electrical grid

No matter what liquid noble fills the detector, a sophisticated detection system is crucial if scientists ever hope to find something like dark matter. Above and below the tower of liquid xenon for the LZ experiment are large, high-voltage grids that create electric fields in the detector. If a dark matter particle collides with a xenon atom and knocks a few electrons off, it will free some electrons from the atom and separately create a burst of light that can be detected by photo detectors, explained Ryan Linehan, a recent Ph.D. graduate from SLAC's LZ group who helped develop the high voltage grids. Electric fields running through the detector then drive the free electrons up into a thin layer of gas at the top of the cylinder where they create a second light signal. "We can use that second signal together with the original signal to learn a lot of information about position, energy, particle type, and more," Linehan said.

But these aren't your average electrical grids—they're carrying tens of thousands of volts, so high that any microscopic bits of dust or debris on the wire grid can cause spontaneous reactions that rip electrons out of the wire itself, Linehan said. "And those electrons can create signals that look just like the electrons that came from the xenon," thus masking the signals they are trying to detect.

The researchers came up with two main ways to minimize the chances of getting false signals from the grids, Linehan said. First, the team used a chemical process called passivation to remove iron from the surface of the grid wires, leaving a chromium-rich surface that reduces the tendency of the wire to emit electrons. Second, to remove any dust particles, the researchers thoroughly—and very carefully—sprayed the grids with deionized water immediately before installation. "Those processes together helped us get the grids to a state where we could actually get clear data," he said.

The LZ team published their first results online in early July, having pushed the search for dark matter farther than it's ever gone before.

Linehan and Akerib said they're impressed by what LZ's global collaboration has been able to accomplish. "Together, we're learning something fundamental about the universe and the nature of matter," Akerib said. "And we're just getting started."

The LZ effort at SLAC is led by Akerib, together with Maria Elena Monzani, a lead scientist at SLAC and LZ deputy operations manager for computing and software, and Thomas Shutt, who was the founding spokesperson of the LZ collaboration. + Utforska vidare

Global team of scientists finish assembling next-generation dark matter detector