Gran experimento subterráneo de xenón

El experimento Large Underground Xenon ( LUX ) tenía como objetivo detectar directamente las interacciones de materia oscura de partículas masivas de interacción débil (WIMP) con materia ordinaria en la Tierra. A pesar de la gran cantidad de evidencia (gravitacional) que apoya la existencia de materia oscura no bariónica en el Universo, ^[1] las partículas de materia oscura en nuestra galaxia nunca se han detectado directamente en un experimento. LUX utilizó una masa de detección de xenón líquido de 370 kg en una cámara de proyección de tiempo (TPC) para identificar interacciones de partículas individuales, buscando interacciones débiles de materia oscura con una sensibilidad sin precedentes. ^[2]

El experimento LUX, cuya construcción costó aproximadamente $ 10 millones, ^[3] se ubicó a 1.510 m (4.950 pies) bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo Sanford (SURF, anteriormente Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Subterránea Profunda, o DUSEL) en la mina Homestake (Sur Dakota) en Lead, Dakota del Sur . El detector estaba ubicado en el campus de Davis, antiguo sitio del experimento de neutrinos Homestake, ganador del Premio Nobel, dirigido por Raymond Davis . Fue operado bajo tierra para reducir la señal de ruido de fondo causada por rayos cósmicos de alta energía en la superficie de la Tierra.

El detector fue dado de baja en 2016 y ahora está en exhibición en el Centro de Visitantes de Sanford Lab Homestake . ^[4]

El experimento Large Underground Xenon instaló 1.480 m (4.850 pies) bajo tierra dentro de un escudo de tanque de agua de 260 m ³ (70.000 gal EE.UU.). El experimento fue una cámara de proyección de tiempo de xenón líquido de 370 kg que tenía como objetivo detectar las interacciones débiles entre la materia oscura WIMP y la materia ordinaria.

Principio del detector

El detector fue aislado de las partículas de fondo por un tanque de agua circundante y la tierra por encima. Este blindaje redujo la interacción de los rayos cósmicos y la radiación con el xenón.

Las interacciones en el xenón líquido generan fotones y electrones ultravioleta de 175 nm . Estos fotones fueron detectados inmediatamente por dos conjuntos de 61 tubos fotomultiplicadores en la parte superior e inferior del detector. Estos fotones rápidos fueron la señal S1. Los electrones generados por las interacciones de las partículas se desplazaron hacia arriba, hacia el gas xenón, mediante un campo eléctrico. Los electrones fueron arrastrados hacia el gas en la superficie por un campo eléctrico más fuerte y produjeron fotones de electroluminiscencia detectados como la señal S2. La señal S1 y la posterior S2 constituyeron una interacción de partículas en el xenón líquido.

El detector era una cámara de proyección de tiempo (TPC), que usaba el tiempo entre las señales S1 y S2 para encontrar la profundidad de interacción ya que los electrones se mueven a velocidad constante en el xenón líquido (alrededor de 1-2 km / s, dependiendo del campo eléctrico). La coordenada xy del evento se infirió a partir de fotones de electroluminiscencia en la matriz superior mediante métodos estadísticos ( Monte Carlo y estimación de máxima verosimilitud ) a una resolución inferior a 1 cm. ^[5]

Las interacciones de partículas dentro del detector LUX produjeron fotones y electrones. Los fotones ( ), moviéndose a la velocidad de la luz, fueron rápidamente detectados por los tubos fotomultiplicadores. Esta señal de fotones se denominó S1. Un campo eléctrico en el xenón líquido hizo que los electrones se desplazaran hacia la superficie del líquido. Un campo eléctrico mucho más alto sobre la superficie del líquido sacó los electrones del líquido y los introdujo en el gas, donde produjeron fotones de electroluminiscencia (de la misma manera que el letrero de neón produce luz). Los fotones de electroluminiscencia fueron detectados por los tubos fotomultiplicadores como la señal S2. Una interacción de una sola partícula en el xenón líquido podría identificarse mediante el par de una señal S1 y una S2.${\displaystyle \gamma }$

Esquema del detector de xenón subterráneo grande (LUX). El detector consistía en un criostato interno lleno de 370 kg de xenón líquido (300 kg en la región interna, llamado "volumen activo") enfriado a -100 ° C. 122 tubos fotomultiplicadores detectaron la luz generada dentro del detector. El detector LUX tenía un criostato exterior que proporcionaba aislamiento al vacío. Un tanque de agua de 8 metros de diámetro por 6 metros de alto protegía al detector de la radiación externa, como rayos gamma y neutrones .

Encontrar materia oscura

Se esperaría que los WIMP interactuaran exclusivamente con los núcleos de xenón líquido, lo que resultaría en retrocesos nucleares que parecerían muy similares a las colisiones de neutrones. Para identificar las interacciones WIMP, los eventos de neutrones deben minimizarse, mediante blindaje y materiales de construcción ultra silenciosos.

Para distinguir WIMP de neutrones, el número de interacciones individuales debe compararse con múltiples eventos. Dado que se espera que los WIMP interactúen tan débilmente, la mayoría pasaría desapercibida por el detector. Cualquier WIMP que interactúe tendrá una probabilidad insignificante de interacción repetida. Los neutrones, por otro lado, tienen una probabilidad razonablemente grande de múltiples colisiones dentro del volumen objetivo, cuya frecuencia se puede predecir con precisión. Usando este conocimiento, si la proporción de interacciones únicas a interacciones múltiples excede un cierto valor, la detección de materia oscura puede inferirse de manera confiable.

Colaboración

La colaboración de LUX estuvo compuesta por más de 100 científicos e ingenieros de 27 instituciones en los EE. UU. Y Europa. LUX estaba compuesto por la mayoría de los grupos de EE. UU. Que colaboraron en el experimento XENON10 , la mayoría de los grupos del experimento ZEPLIN III , la mayoría del componente estadounidense del experimento ZEPLIN II y los grupos involucrados en búsquedas de eventos raros de bajo fondo como como Super Kamiokande , SNO , IceCube , Kamland , EXO y Double Chooz .

Los co-portavoces del experimento LUX fueron Richard Gaitskell de la Universidad de Brown (quien actuó como co-portavoz desde 2007 en adelante) y Daniel McKinsey de la Universidad de California, Berkeley (quien actuó como co-portavoz a partir de 2012). Tom Shutt de la Case Western Reserve University fue co-portavoz de LUX entre 2007 y 2012.

Estado

El montaje del detector comenzó a finales de 2009. El detector LUX se puso en servicio en superficie en SURF para una ejecución de seis meses. El detector ensamblado se transportó bajo tierra desde el laboratorio de superficie en una operación de dos días en el verano de 2012 y comenzó a tomar datos en abril de 2013, presentando los resultados iniciales en el otoño de 2013. Fue dado de baja en 2016. ^[4]

Se aprobó el experimento de seguimiento de próxima generación, el LUX-ZEPLIN de 7 toneladas , ^{[6] que se} espera que comience en 2020. ^[7]

Resultados

Los datos iniciales no cegados tomados de abril a agosto de 2013 se anunciaron el 30 de octubre de 2013. En una ejecución de 85 días en vivo con un volumen fiducial de 118 kg, LUX obtuvo 160 eventos que pasaron los criterios de selección de análisis de datos, todos consistentes con fondos de retroceso de electrones. Un enfoque estadístico de probabilidad de perfil muestra que este resultado es consistente con la hipótesis de solo fondo (sin interacciones WIMP) con un valor p de 0.35. Este fue el resultado de detección directa de materia oscura más sensible del mundo y descartó pistas de señal WIMP de baja masa, como las de CoGeNT y CDMS-II . ^{[8] [9]} Estos resultados eliminaron algunas de las teorías sobre los WIMP, lo que permitió a los investigadores centrarse en menos pistas. ^[10]

En la ejecución final de octubre de 2014 a mayo de 2016, a cuatro veces su sensibilidad de diseño original con 368 kg de xenón líquido, LUX no vio signos de candidatos a materia oscura: WIMP. ^[7] Según Ethan Siegel , los resultados de LUX y XENON1T han proporcionado evidencia contra el supersimétrico "WIMP Miracle" lo suficientemente fuerte como para motivar a los teóricos hacia modelos alternativos de materia oscura. ^[11]

Referencias

1. Beringer, J .; et al. (2012). "Revisión de 2012 de la física de partículas" (PDF) . Phys. Rev. D . 86 (10001). Código Bibliográfico : 2012PhRvD..86a0001B . doi : 10.1103 / PhysRevD.86.010001 .
2. Akerib, D .; et al. (Marzo de 2013). "El experimento de gran xenón subterráneo (LUX)". Instrumentos y métodos nucleares en Física Investigación Una . 704 : 111-126. arXiv : 1211.3788 . Código bibliográfico : 2013NIMPA.704..111A . doi : 10.1016 / j.nima.2012.11.135 . S2CID 67768071 . 
3. Reich, E. La caza de la materia oscura se vuelve más profunda Naturaleza 21 de febrero de 2013
4. Van Zee, Al (20 de julio de 2017). "Detector de materia oscura LUX ahora parte de una nueva exhibición en Sanford Lab" . Pionero de Black Hills . Lead, Dakota del Sur . Consultado el 21 de junio de 2019 .
5. Akerib; et al. (Mayo 2013). "Resultados técnicos de la ejecución superficial del experimento de materia oscura LUX". Física de astropartículas . 45 : 34–43. arXiv : 1210.4569 . Código bibliográfico : 2013APh .... 45 ... 34A . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2013.02.001 . S2CID 118422051 . 
6. "Las búsquedas de materia oscura obtienen la aprobación del gobierno de Estados Unidos" . Mundo de la física . 15 de julio de 2014 . Consultado el 13 de febrero de 2020 .
7. "La búsqueda de materia oscura más sensible del mundo aparece con las manos vacías" . Hamish Johnston . physicsworld.com (IOP). 22 de julio de 2016 . Consultado el 13 de febrero de 2020 .
8. Akerib, D. (2014). "Primeros resultados del experimento de materia oscura LUX en la instalación de investigación subterránea de Sanford" (PDF) . Cartas de revisión física . 112 (9): 091303. arXiv : 1310.8214 . Código Bibliográfico : 2014PhRvL.112i1303A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.091303 . hdl : 1969.1 / 185324 . PMID 24655239 . S2CID 2161650 . Consultado el 30 de octubre de 2013 .   
9. La búsqueda de materia oscura aparece vacía Fox News, 30 de octubre de 2013
10. El experimento de materia oscura no encuentra nada, hace noticia The Conversation, 01 de noviembre de 2013
11. Siegel, Ethan (22 de febrero de 2019). "La esperanza de 'WIMP Miracle' para la materia oscura está muerta" . Comienza con una explosión. Forbes . Consultado el 21 de junio de 2019 .

enlaces externos

• Página web de LUX Dark Matter
• Artículo de la Universidad de Brown

Coordenadas : 44 ° 21'07 "N 103 ° 45'04" W  /  44.352 ° N 103.751 ° W / 44,352; -103.751