Les chercheurs creusent profondément dans la Terre dans l’espoir d’observer enfin la matière noire

Les physiciens comme moi ne comprennent pas très bien de quoi il est fait 83% de la matière de l’univers Quelque chose que nous appelons « matière noire ». mais avec Un réservoir plein de xénon Enfouis à près d’un mile sous le Dakota du Sud, nous pourrons peut-être un jour mesurer ce qu’est réellement la matière noire.

Dans le modèle typique, la matière noire représente la majeure partie de la gravité de l’univers, fournissant la colle qui permet à des structures telles que les galaxies, y compris notre propre Voie lactée, de se former. façonner. Alors que le système solaire orbite autour du centre de la galaxie de la Voie lactée, la Terre se déplace à travers un halo de matière noire, qui constitue la majeure partie de la matière de notre galaxie.

je physique Intéressé à comprendre la nature de la matière noire. Une supposition populaire est que la matière noire est un nouveau type de particule, et Faible interaction de particules massives, ou WIMP. WIMP capture très bien l’essence d’une particule – elle a une masse, ce qui signifie qu’elle interagit avec la gravité, mais très faiblement – ou rarement – avec la matière ordinaire. Les WIMP de la Voie lactée nous traversent théoriquement sur Terre tout le temps, mais parce qu’ils interagissent si faiblement, ils ne se heurtent à rien.

Trouver des WIMP

Au cours des 30 dernières années, les scientifiques ont évolué partagiciel Essayer de découvrir des interactions rares entre les WIMP et les atomes ordinaires. Cependant, sur Terre, nous sommes toujours entourés de niveaux faibles et non dangereux de radioactivité provenant d’éléments traces – en particulier l’uranium et le thorium – dans l’environnement, ainsi que des rayons cosmiques de l’espace. Le but de la recherche de matière noire est de construire un détecteur aussi sensible que possible, afin qu’il puisse voir la matière noire, et de le placer aussi discrètement que possible, afin que le signal de matière noire puisse être vu via la radioactivité de fond.

avec Résultats publiés en juillet 2023le Lux Zeppelinou LZ, la collaboration a fait exactement cela, en construisant et en exploitant le plus grand détecteur de matière noire à ce jour à 4 850 pieds (1 478 mètres) sous terre à Installation de recherche souterraine de Sanford à Lead, Dakota du Sud.

Situé au centre de LZ 10 tonnes métriques (10 000 kilogrammes) de xénon liquide. Lorsque les particules traversent le détecteur, elles peuvent entrer en collision avec des atomes de xénon, faisant clignoter la lumière et libérant des électrons.

Dans la LZ, deux réseaux électriques massifs appliquent un champ électrique à travers le volume du liquide, forçant ces électrons libérés à la surface du liquide. Lorsqu’ils pénètrent la surface, ils sont attirés dans l’espace au-dessus du liquide, qui est plein de gaz xénon, et accélérés par un autre champ électrique pour créer un deuxième flash de lumière. Deux grands réseaux de capteurs de lumière combinent ces deux éclairs de lumière et, ensemble, ils permettent aux chercheurs de reconstruire l’emplacement, l’énergie et le type d’interaction qui se sont produits.

réduire la radioactivité

Tous les matériaux sur Terre, y compris ceux utilisés pour construire le détecteur WIMP, Ils émettent des radiations Il peut bloquer les interactions avec la matière noire. En conséquence, les scientifiques construisent des détecteurs de matière noire en utilisant les matériaux les plus « radioactifs » – c’est-à-dire exempts de contaminants radioactifs – qu’ils peuvent trouver à l’intérieur et à l’extérieur du détecteur.

Par exemple, en travaillant avec des fonderies de métaux, LZ a pu utiliser Le titane le plus propre sur Terre Construire le cylindre central – ou cryostat – qui contient le xénon liquide. L’utilisation de ce titane spécial réduit la radioactivité du LZ, créant un espace dégagé pour voir toutes les interactions avec la matière noire. De plus, le xénon liquide est si dense qu’il agit comme un bouclier contre les rayonnements, et le xénon est facile à purifier des contaminants radioactifs qui pourraient s’infiltrer.

Dans la LZ, le détecteur central au xénon vit à l’intérieur de deux autres détecteurs, appelés la peau au xénon et le détecteur extérieur. Ces couches de support captent la radioactivité à l’entrée ou à la sortie de la chambre centrale au xénon. Étant donné que les interactions avec la matière noire sont si rares, une particule de matière noire n’interagira qu’une seule fois dans l’ensemble de l’appareil. Ainsi, si nous observons un événement avec de multiples interactions dans le xénon ou le détecteur externe, nous pouvons supposer qu’il n’est pas dû à WIMP.

Toutes ces choses, y compris le détecteur central, le cryostat et le détecteur extérieur, vivent dans un grand réservoir d’eau à environ un mile sous terre. Le réservoir d’eau protège les détecteurs de la grotte et l’environnement souterrain protège le réservoir d’eau des rayons cosmiques ou des particules chargées qui frappent continuellement l’atmosphère terrestre.

La chasse continue

dans le résultat vient de publierEn utilisant 60 jours de données, le LZ a enregistré environ cinq événements par jour dans le détecteur. C’est environ un billion d’événements de moins qu’un détecteur de particules de surface normal n’enregistrerait en une seule journée. En examinant les propriétés de ces événements, les chercheurs peuvent affirmer avec certitude qu’aucune interaction n’a jusqu’à présent été causée par la matière noire. Le résultat, malheureusement, n’est pas une découverte de nouvelle physique – mais nous pouvons imposer des contraintes sur la faiblesse exacte de l’interaction de la matière noire, car elle reste invisible par la LZ.

Ces limites aident à dire aux physiciens ce que la matière noire n’est pas – et le LZ le fait mieux que n’importe quelle expérience dans le monde. En attendant, il y a de l’espoir pour la suite de la recherche de matière noire. LZ collecte actuellement plus de données et nous prévoyons de collecter plus de 15 fois plus de données au cours des prochaines années. L’interaction WIMP peut déjà être dans cet ensemble de données, attendant juste d’être révélée dans la prochaine série d’analyses.