El experimento LUX-ZEPLIN (LZ) es un experimento de detección directa de materia oscura de próxima generación que espera observar partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP) dispersas en los núcleos. [1] Se formó en 2012 combinando los grupos LUX y ZEPLIN . Actualmente es una colaboración de 30 institutos en EE. UU., Reino Unido, Portugal y Corea del Sur . El experimento está ubicado en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Dakota del Sur , [2] y está administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).(Laboratorio de Berkeley).
El experimento utiliza un detector ultrasensible hecho de 10 toneladas de xenón líquido para buscar señales de interacciones WIMP-núcleo. Es uno de los tres experimentos que lideran la búsqueda de la detección directa de WIMP por encima de 10 GeV/c 2 , siendo los otros dos el experimento XENONnT y el experimento PANDAX -4T.
En la primavera de 2015, LZ pasó la revisión "Paso 1 de decisión crítica" o CD-1 y se convirtió en un proyecto oficial del DOE. [3] El 21 de septiembre de 2020, funcionarios del Departamento de Energía de EE. UU. aprobaron formalmente la finalización del proyecto para LZ; El hito de finalización del proyecto del DOE se llama Decisión Crítica 4 o CD-4. [4]
Para identificar de manera concluyente las dispersiones del núcleo WIMP, LZ debe poder observar deposiciones de energía muy pequeñas en su volumen activo. Sin embargo, también debe poder diferenciar las verdaderas dispersiones WIMP de otras interacciones causadas por partículas conocidas. Ejemplos de estos "fondos" conocidos son las interacciones de los rayos gamma producidos por trazas de radiactividad en el medio ambiente, las interacciones de los neutrones producidos en el medio ambiente y las interacciones de los muones de rayos cósmicos producidos en la atmósfera superior. Los dos objetivos de una búsqueda de materia oscura son minimizar el número de estas interacciones de fondo y, en el caso de que ocurran, poder identificar que provienen del fondo (a diferencia de los WIMP).
Primero, el detector más interno está compuesto por una cámara de proyección de tiempo (TPC) de xenón de doble fase . [5] [6] Este detector es el objetivo de las dispersiones de núcleos WIMP. Como se analiza en la siguiente sección, este detector puede realizar una reconstrucción tridimensional de la posición de una interacción en el xenón. Esto permite identificar y rechazar las interacciones de fondo que ocurren cerca de la periferia (laterales, superior e inferior) del detector. Es muy probable que estas interacciones periféricas se deban a rayos gamma o neutrones externos y a desintegraciones radiactivas de trazas de radionucleidos en los componentes del detector que componen el TPC y los criostatos.. Además, la densidad relativamente grande del xenón líquido permite que el TPC se "autoproteja" hasta cierto punto: los rayos gamma (neutrones) que ingresan al TPC pueden viajar sólo unos pocos centímetros (10 centímetros) antes de dispersarse y detenerse. Como resultado, el volumen más interno del detector está prácticamente libre de muchos de estos fondos. Debido a que es tan silencioso, este volumen más interno o "fiducial" es muy sensible a la observación de dispersiones de WIMP sobre otros fondos, y es el espacio en el que se realizan las búsquedas de WIMP de LZ.