La course est lancée pour construire l'expérience américaine la plus sensible conçue pour détecter directement les particules de matière noire. Les responsables du ministère de l'Énergie ont officiellement approuvé une étape clé de la construction qui propulsera le projet vers son objectif d'achèvement d'avril 2020.

L'expérience LUX-ZEPLIN (LZ), qui sera construit à près d'un mile sous terre au Sanford Underground Research Facility (SURF) à Lead, DAKOTA DU SUD., est considéré comme l'un des meilleurs paris à ce jour pour déterminer si les particules de matière noire théorisées connues sous le nom de WIMP (particules massives à interaction faible) existent réellement. Il y a d'autres candidats à la matière noire, trop, comme les « axions » ou les « neutrinos stériles, " quelles autres expériences sont mieux adaptées pour extirper ou écarter.

Le calendrier rapide de LZ aidera les États-Unis à rester compétitifs avec des expériences similaires de détection directe de matière noire de nouvelle génération prévues en Italie et en Chine.

Le 9 février le projet a passé une étape d'examen et d'approbation du DOE connue sous le nom de décision critique 3 (CD-3), qui accepte la conception finale et lance formellement la construction.

"Nous allons essayer d'aller aussi vite que possible pour que tout soit terminé d'ici avril 2020, " dit Murdock " Gil " Gilchriese, directeur du projet LZ et physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE (Berkeley Lab), le laboratoire principal du projet. "Nous avons obtenu une très forte approbation pour aller vite et être les premiers." La collaboration LZ compte désormais environ 220 scientifiques et ingénieurs participants qui représentent 38 institutions à travers le monde.

La nature de la matière noire, que les physiciens décrivent comme le composant invisible ou la soi-disant « masse manquante » dans l'univers qui expliquerait les spins plus rapides que prévu des galaxies, et leur mouvement dans les amas observés à travers l'univers - a échappé aux scientifiques depuis que son existence a été déduite par les calculs de l'astronome suisse Fritz Zwicky en 1933.

La quête pour découvrir de quoi est faite la matière noire, ou pour savoir si cela peut être expliqué en peaufinant les lois connues de la physique de nouvelles manières, est considérée comme l'une des questions les plus urgentes en physique des particules.

Des générations successives d'expériences ont évolué pour fournir une sensibilité extrême dans la recherche qui éliminera au moins certains des candidats probables et des cachettes pour la matière noire, ou peut conduire à une découverte.

LZ sera au moins 50 fois plus sensible à la recherche de signaux provenant de particules de matière noire que son prédécesseur, l'expérience Large Underground Xenon (LUX), qui a été retiré de SURF l'année dernière pour faire place à LZ. La nouvelle expérience utilisera 10 tonnes de xénon liquide ultra-purifié, pour démêler d'éventuels signaux de matière noire. Xénon, sous sa forme gazeuse, est l'un des éléments les plus rares de l'atmosphère terrestre.

"La science est très convaincante, il est donc poursuivi par des physiciens du monde entier, " dit Carter Hall, le porte-parole de la collaboration LZ et professeur agrégé de physique à l'Université du Maryland. "C'est une compétition amicale et saine, avec une découverte majeure possiblement en jeu."

Une mise à niveau prévue de l'expérience XENON1T actuelle au laboratoire Gran Sasso de l'Institut national de physique nucléaire (l'expérience XENONnT) en Italie, et les plans de la Chine pour faire avancer les travaux sur PandaX-II, sont également prévues pour être des expériences souterraines de pointe qui utiliseront le xénon liquide comme moyen pour rechercher un signal de matière noire. Ces deux projets devraient avoir un calendrier et une échelle similaires à LZ, bien que les participants de LZ visent à atteindre une sensibilité plus élevée à la matière noire que ces autres concurrents.

Hall a noté que si les WIMPs sont une cible principale pour LZ et ses concurrents, Les explorations de LZ en territoire inconnu pourraient conduire à une variété de découvertes surprenantes. "Les gens développent toutes sortes de modèles pour expliquer la matière noire, " dit-il. " LZ est optimisé pour observer un WIMP lourd, mais il est également sensible à certains scénarios moins conventionnels. Il peut également rechercher d'autres particules exotiques et des processus rares."

LZ est conçu pour que si une particule de matière noire entre en collision avec un atome de xénon, il produira un éclair lumineux suivi d'un deuxième éclair lumineux lorsque les électrons produits dans la chambre au xénon liquide dériveront vers son sommet. La lumière pulse, captés par une série d'environ 500 tubes amplificateurs de lumière tapissant le réservoir massif - plus de quatre fois plus que ceux installés à LUX - porteront l'empreinte digitale révélatrice des particules qui les ont créés.

Daniel Akérib, Thomas Shutt, et Maria Elena Monzani dirigent l'équipe LZ du SLAC National Accelerator Laboratory. L'effort SLAC comprend un programme pour purifier le xénon pour LZ en supprimant le krypton, un élément qui se trouve généralement à l'état de traces avec le xénon après des processus de raffinement standard. "Nous avons déjà démontré la purification requise pour LZ et travaillons maintenant sur des moyens de purifier davantage le xénon pour étendre la portée scientifique de LZ, " Akerib a déclaré.

Les collaborateurs du SLAC et de Berkeley Lab développent et testent également des grilles de fil tissées à la main qui extraient les signaux électriques produits par les interactions des particules dans le réservoir de xénon liquide. Des prototypes grandeur nature seront exploités plus tard cette année sur une plate-forme d'essai du SLAC. "Ces tests sont importants pour s'assurer que les réseaux ne produisent pas de décharge électrique de faible niveau lorsqu'ils fonctionnent à haute tension, puisque la décharge pourrait submerger un faible signal de matière noire, " dit Shutt.

Hugh Lippincott, un Wilson Fellow au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) et le coordinateur physique de la collaboration LZ, mentionné, « En plus des efforts déployés pour construire le détecteur et collecter les données aussi rapidement que possible, nous développons également nos outils de simulation et d'analyse de données afin que nous puissions comprendre ce que nous verrons lorsque le détecteur s'allumera. Nous voulons être prêts pour la physique dès l'apparition du premier éclair lumineux dans le xénon. purifie, et refroidit le xénon.

Tous les composants de LZ sont minutieusement mesurés pour les niveaux de rayonnement naturels afin de tenir compte d'éventuels faux signaux provenant des composants eux-mêmes. Une salle blanche de filtrage de la poussière est en cours de préparation pour l'assemblage de LZ et un bâtiment de réduction du radon est en construction sur le site du Dakota du Sud. Le radon est un gaz radioactif d'origine naturelle qui pourrait interférer avec la détection de la matière noire. Ces étapes sont nécessaires pour supprimer autant que possible les signaux de fond.

Les vaisseaux qui entoureront le xénon liquide, qui relèvent de la responsabilité des participants britanniques de la collaboration, sont maintenant assemblés en Italie. Ils seront construits avec le titane le plus ultra-pur au monde pour réduire davantage le bruit de fond.

Pour garantir que les particules indésirables ne sont pas interprétées à tort comme des signaux de matière noire, La chambre au xénon liquide de LZ sera entourée d'un autre réservoir rempli de liquide et d'un réseau séparé de tubes photomultiplicateurs qui peuvent mesurer d'autres particules et en grande partie opposer leur veto aux faux signaux. Le laboratoire national de Brookhaven gère la production d'un autre liquide très pur, connu sous le nom de fluide scintillateur, qui ira dans ce réservoir.

Les salles blanches seront en place d'ici juin, Gilchriese a dit, et la préparation de la caverne où LZ sera logé est en cours à SURF. L'assemblage et l'installation sur site commenceront en 2018, il ajouta, et tout le xénon nécessaire au projet a déjà été livré ou fait l'objet d'un contrat. gaz xénon, ce qui est coûteux à produire, est utilisé dans l'éclairage, imagerie médicale et anesthésie, systèmes de propulsion de véhicules spatiaux, et l'industrie électronique.

« Le Dakota du Sud est fier d'accueillir l'expérience LZ à SURF et de contribuer à 80 % du xénon pour LZ, " a déclaré Mike Headley, directeur exécutif de la South Dakota Science and Technology Authority (SDSTA) qui supervise SURF. "Les travaux de nos installations sont en cours et nous sommes sur la bonne voie pour respecter le calendrier de LZ."

scientifiques britanniques, qui représentent environ un quart de la collaboration LZ, contribuent au matériel pour la plupart des sous-systèmes. Henrique Araújo, de l'Imperial College de Londres, mentionné, "Nous sommes impatients de voir tout s'assembler après une longue période de conception et de planification."

Kelly Hanzel, Chef de projet LZ et ingénieur mécanicien de Berkeley Lab, ajoutée, "Nous avons une excellente collaboration et une équipe d'ingénieurs qui se consacrent à la science et au succès du projet." La dernière étape d'approbation, elle a dit, "est probablement l'étape la plus importante à ce jour, " car il prévoit l'achat de la plupart des principaux composants des systèmes de support de LZ.