In een verlaten goudmijn op anderhalve kilometer van Leed, South Dakota, werken ingenieurs en natuurkundigen van de Universiteit van Wisconsin-Madison aan een kamer met daarin 10 ton vloeibaar xenon. Ze hopen dat ze in een ondergrondse mijn, waar de experimentele ruimte wordt beschermd tegen zonnedeeltjes en kosmische straling, voor het eerst donkere materie kunnen detecteren.
We hebben al een gedetailleerde analyse gepubliceerd van wat mysterieuze donkere materie kan zijn vanuit het oogpunt van de moderne fysica. De oorspronkelijke hypothese verscheen in de jaren dertig, toen astronomen zich realiseerden dat het sterrenstelsel de zwaartekracht mist om zijn structuur alleen te behouden vanwege zijn zichtbare bronnen - sterren, planeten, zwarte gaten, enz. Direct de donkere materie zelf daarvoor tot dusverre was het niet mogelijk om te detecteren, het bestaan ervan werd alleen afgeleid met behulp van wiskundige zwaartekrachtmodellen. Astronomen geloven echter dat er in feite vijf keer meer donkere materie in het universum kan zijn dan zichtbare materie. Het UW-Madison-team heeft besloten een einde te maken aan deze onzekerheid.
Het goudmijnexperiment in South Dakota heet LUX-ZEPLIN, of afgekort LZ. Het is een uitgebreide versie van het vorige Large Underground Xenon (LUX) -experiment en het ZEPLIN-programma voor donkere materie. Het idee is om een donkere materiedeeltje te detecteren terwijl het in wisselwerking staat met een xenonatoom, waardoor een kettingreactie in de kamer ontstaat die uiteindelijk ultraviolet licht zal uitstoten en een spervuur van elektronen zal vrijgeven. Onmiddellijk nadat het vloeibare xenon is ontbrand, zal het xenongas in de kamer erboven reageren door elektronen uit te zenden en een tweede, helderdere lichtpuls uit te zenden. Natuurkundigen die aan het project werken, omschrijven het als een "bel" die zal rinkelen wanneer het wordt blootgesteld aan een deeltje donkere materie.
"Donkere materiedeeltjes kunnen zich hier in de kamer bevinden, door je hoofd gaan en mogelijk af en toe botsen met sommige atomen", zei Duncan Carlsmith, hoogleraar natuurkunde bij UW-Madison, in een persbericht.
Schematische weergave van het ondergrondse laboratorium van LUX-ZEPLIN
Eerder deze maand keurde het Department of Energy de laatste fasen van de LZ bij de goudmijn goed, officieel het Sanford Underground Research Center genoemd. Ondertussen werken onderzoekers met een kleiner prototype-apparaat om ervoor te zorgen dat wanneer de "grote" LZ in 2020 wordt gelanceerd, deze niet gevoelig is voor interferentie.
Om ervoor te zorgen dat niets dan donkere materie in wisselwerking staat met vloeibaar xenon, bouwt het team twee externe kamers die zijn ontworpen om verontreinigende deeltjes te detecteren en te verwijderen. De kamer zal worden gevuld met 10 ton vloeibaar xenon en meer dan 500 fotovermenigvuldigers - vacuümbuizen, die ultragevoelige lichtdetectoren zijn en de LZ bewaken. Als iets anders dan donkere materie de rest van het xenon verstoort, zullen de detectoren moeten aantonen dat dit een vals alarm is.
Promotie video:
Zodra de installatie in de ondergrondse mijn klaar is en het experiment van start gaat, rest alleen nog wachten. Natuurkundigen zullen op zoek gaan naar zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes, of WIMP's, de hypothetische bouwstenen van donkere materie. Aangenomen wordt dat WIMP's meestal spoorloos door gewone materie gaan, maar af en toe kunnen ze botsen met gewone deeltjes.
De deelnemers aan het LUX-ZEPLIN-project hebben een miniatuurkopie van de toekomstige installatie samengesteld. Voordat u een wereldwijd experiment uitvoert, moet u het testen op een kleiner en duurder model.
LZ zal minstens vijf jaar blijven bestaan, maar iedereen hoopt dat het voor het eerst WIMP's zal kunnen detecteren, of ze anderszins zal uitsluiten als een etherische substantie die donkere materie vormt. Andere experimenten in het IceCube Center for Particle Astrophysics in Wisconsin, evenals projecten in Italië en China, voeren hun eigen experimenten uit om direct bewijs te vinden voor het bestaan van donkere materie. UW-Madison-natuurkundigen gebruiken de Large Hadron Collider ook in een poging om donkere materie te detecteren, die ontstaat wanneer hoogenergetische deeltjes botsen. De race voor de ontdekkers van donkere materie is in volle gang!
Als we deze substantie kunnen vinden en meten, zullen we een beter begrip krijgen van hoe het universum werkt dan ooit tevoren. Het is mogelijk dat donkere materie meer dan 25 procent van de hele kosmos uitmaakt, en als we eenmaal de specifieke eigenschappen van het materiaal ontdekken, kan het geheimen onthullen die lang voor ons verborgen zijn gebleven.
