Das Experimentteam von LUX-ZEPLIN (LZ) hat heute die Ergebnisse seines ersten wissenschaftlichen Durchlaufs bekannt gegeben; Das Experiment ist der weltweit empfindlichste Detektor für dunkle Materie, und obwohl es in dieser ersten Runde keine dunkle Materie gefunden hat, bestätigte das Team, dass das Experiment wie erwartet funktioniert.
Der Detektor des LZ-Experiments besteht aus verschachtelten Tanks mit flüssigem Xenon, die jeweils 1,5 Meter hoch und 1,5 Meter breit sind und unter South vergraben sind Dakota. Die Idee ist, dass ein Teilchen aus dunkler Materie, das durch den Weltraum saust, schließlich von einem der Xenonatome abprallt und in einem Blitz, der vom Experiment aufgezeichnet wird, Elektronen losschlägt. Der Tank ist etwa eine Meile unter der Erdoberfläche vergraben, um die Menge an Hintergrundgeräuschen zu minimieren. Die heutige Ankündigung erfolgt nach 60 Live-Datenerfassungstagen vom 25. Dezember bis 12. Mai.
„Wir suchen nach sehr, sehr energiearmen Rückstößen nach den Maßstäben der Teilchenphysik. Es ist ein sehr, sehr seltener Prozess, wenn er überhaupt sichtbar ist“, sagte Hugh Lippincott, Physiker an der UC Santa Barbara und Mitglied des LZ-Teams, heute in einer Pressekonferenz. „Man kann ein Teilchen aus dunkler Materie durch 10 Millionen Lichtjahre Blei schießen und am Ende dieses Lichtjahres nur eine Wechselwirkung erwarten.“
Dunkle Materie ist der Sammelbegriff für das unbekannte Material, das etwa 27 % des Universums ausmacht. Es interagiert kaum jemals mit gewöhnlicher Materie, daher seine „Dunkelheit“ für uns. Aber wir wissen, dass es da draußen ist, weil es Gravitationseffekte hat, die auf kosmischen Skalen sichtbar sind, obwohl es nie direkt entdeckt wurde. (Die NASA schlüsselt das Konzept ziemlich gut auf Hier.)
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Es gibt viele Kandidaten für dunkle Materie. Einer ist der WIMP oder ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. im Gegensatz zu anderen Hypothesen über dunkle Materie wie Axionen oder dunkle Photonen, die so klein und diffus sind, dass sie sich eher wie Wellen verhalten könnten, hätten WIMPs Masse, würden aber kaum jemals mit gewöhnlicher Materie interagieren. Um sie zu erkennen, benötigen Sie also ein Gerät, das alle anderen physikalischen Vorgänge so gut wie stummschaltet.
LZ ist sehr empfindlich, was es gut macht, solche flüchtigen und seltenen Interaktionen zu erkennen. Laut einer Sanford Underground Research Facility ist das Experiment 30-mal größer und 100-mal empfindlicher als sein Vorgänger, das Large Underground Xenon Experiment freigeben. LZ ist „effektiv eine Zwiebel“, sagte Lippincott, wobei jede Schicht des Experiments gegen Rauschen isoliert, das eine potenzielle WIMP-Interaktion verschleiern könnte.
„Die Zusammenarbeit hat gut funktioniert, um die Detektorantwort zu kalibrieren und zu verstehen“, sagte Aaron Manalaysay, Physiker am Berkeley Laboratory und Mitglied des LZ-Teams, in einem Berkeley Lab Pressemitteilung. „Wenn man bedenkt, dass wir es erst vor ein paar Monaten und während der COVID-Einschränkungen eingeschaltet haben, ist es beeindruckend, dass wir bereits so signifikante Ergebnisse haben.“
Von den vielen Entdeckungen, die das LZ-Experiment während seiner 60-tägigen Laufzeit machte, schienen 335 vielversprechend, aber keiner stellte sich als WIMPs heraus. Das bedeutet nicht, dass es keine WIMPs gibt, aber es eliminiert einen Massenbereich aus dem Wettbewerb. (Das ist der Kern dessen, was Detektoren für dunkle Materie tun: Stück für Stück schließen sie aus, welche Masse die Teilchen haben kippen Sei.) Mehrere Physiker sagten kürzlich zu Gizmodo dass sie denken, dass die nächste große Entdeckung in der Teilchenphysik von einem Detektor für dunkle Materie wie LZ kommen wird.
Dieser wissenschaftliche Lauf startete einen voraussichtlich 1.000-tägigen Zeitplan. Die letzte Runde war auch unverblindet, sodass das LZ-Team überwachen konnte, wie sich die Technologie verhielt. Da es wie erwartet funktioniert hat, werden die Ergebnisse des nächsten wissenschaftlichen Laufs „gesalzen“ oder mit falschen Signalen gespickt sein Vorurteile abmildern.
Zwanzigmal mehr Daten werden in den kommenden Jahren gesammelt, vielleicht müssen sich die schwachen WIMPs also endlich der Musik ihres eigenen Daseins stellen. Andererseits existieren sie vielleicht gar nicht. Wir werden es nicht wissen, bis wir nachsehen.
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