Les scientifiques ont une nouvelle fenêtre sur la recherche de matière noire – un récipient en acrylique qui comprend un groupe de réservoirs transparents de 12 pieds de haut avec des parois de 1 pouce d'épaisseur.

Les chars, qui entourera un détecteur central pour une expérience de près d'un kilomètre de profondeur en construction dans le Dakota du Sud appelée LUX-ZEPLIN (LZ), sera rempli de liquide qui produit de minuscules éclairs de lumière dans certaines interactions de particules.

Les scientifiques suivront ces éclairs de lumière avec un système d'acquisition de données et reconstruiront leurs sources probables. En plus de contenir le scintillateur liquide, les réservoirs serviront également de bouclier pour certains "bruits" de particules indésirables qui pourraient interférer avec d'autres, signaux recherchés, et comme système de veto – une sorte de détecteur de mensonges qui peut aider les scientifiques à distinguer les fausses détections de matière noire d'une vraie découverte.

Matière noire, qui représente environ 85 pour cent de toute la matière dans l'univers, n'a jamais été vu directement, bien que les scientifiques détectent sa présence par des effets gravitationnels. Les étoiles dans les galaxies spirales, par exemple, ont été observés se déplacer autour du centre à peu près à la même vitesse, même à des distances très différentes, ce qui indique aux scientifiques qu'il y a autre chose en jeu qui provoque cet effet inattendu.

Bien que nous ne sachions pas de quoi la matière noire est composée, l'expérience LZ est conçue pour traquer l'un des principaux suspects - une particule théorique connue sous le nom de WIMP, ou particule massive interagissant faiblement.

Une collaboration internationale, impliquant environ 250 scientifiques, ingénieurs, et techniciens de 38 établissements, travaille sur LZ. Le laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie supervise la construction et l'installation de la LZ. L'expérience LZ devrait commencer à prendre des données en 2020.

Les réservoirs en acrylique de LZ ont été façonnés en segments afin de s'adapter à la cage d'ascenseur de l'installation de recherche souterraine de Sanford (SURF), une ancienne mine d'or à Plomb, Dakota du Sud. LZ occupera une caverne récemment rénovée à SURF qui abritait autrefois son petit prédécesseur, l'expérience LUX (Large Underground Xenon).

LZ est conçu pour être au moins 100 fois plus sensible aux signaux possibles de particules de matière noire que LUX. Le système de veto formé par les réservoirs en acrylique et une séquence connexe de détecteurs de lumière améliorera la capacité de LZ à exclure les signaux de matière non noire.

Les quatre plus grands réservoirs acryliques de LZ, qui sont conçus et profilés sur mesure, mesure 12,3 pieds de haut, 7,5 pieds de large, et 3,4 pieds d'épaisseur, et peser 1, 500 livres pièce. Deux sont arrivés à SURF plus tôt ce mois-ci, et les deux autres seront livrés dans le mois prochain. Six réservoirs plus petits – trois qui se trouveront au-dessus du détecteur principal et trois qui résideront en dessous – arriveront d'ici la fin de l'année.

"Cela ressemble à un sabre laser géant coupé en quatre par le haut, " dit Harry Nelson, un professeur de physique de l'UC Santa Barbara qui supervise l'effort des réservoirs acryliques pour LZ. Nelson compare les chars à l'une des épées légères mythiques présentées dans les films de science-fiction "Star Wars". UC Santa Barbara a servi de responsable technique pour les chars, superviser leur conception, fabrication commerciale, essai, et le transport.

Les chercheurs ont conçu un cadre spécial pour soutenir et protéger les réservoirs qui permettra aux travailleurs de manœuvrer les réservoirs à travers le complexe de tunnels jusqu'à leur lieu de repos. Un gréement spécial attaché à ce cadre sera utilisé pour suspendre chacun des grands composants du réservoir sous l'ascenseur de SURF pour leur voyage sous terre. "Chaque segment sera accroché comme un ornement de vacances au bas de l'ascenseur, ", a déclaré Nelson.

Simon Fiorucci, un physicien du Berkeley Lab qui supervise les opérations LZ à SURF, mentionné, "Il s'agit de la première installation d'équipement de détection LZ significative dans le laboratoire souterrain. C'est une étape importante pour le projet, et c'est de très bon augure pour l'année chargée qui nous attend."

D'autres expériences de physique ont également utilisé l'acrylique pour les réservoirs de stockage, Nelson a noté, y compris le vaisseau sphérique de 12 pieds de l'Observatoire de neutrinos de Sudbury en Ontario, Canada.

Au total, les 10 réservoirs qui entoureront le détecteur central cylindrique de LZ contiendront environ 17 tonnes d'un scintillateur liquide appelé alkylbenzène linéaire, qui est plus couramment utilisé comme ingrédient dans les détergents et autres produits de nettoyage. Le détecteur cylindrique central est construit en titane ultra-pur et contiendra 10 tonnes de xénon liquide ultrapurifié, un élément rare dont les atomes peuvent émettre des éclats de lumière dans les interactions de particules.

"Des recherches récentes sur la matière noire ont montré que les neutrons peuvent être un arrière-plan pernicieux, avec la capacité d'imiter un signal de matière noire, " dit Carter Hall, Porte-parole de LZ et professeur de physique à l'Université du Maryland. Les neutrons sont des particules sans charge qui résident dans les noyaux atomiques. "Les réservoirs acryliques et leur charge utile de scintillateur liquide fourniront un puissant signal de rejet de neutrons afin que LZ ne soit pas dupe."

Comme les couches d'un oignon, les réservoirs acryliques s'adapteront parfaitement autour du détecteur central LZ et seront eux-mêmes entourés d'un grand réservoir contenant environ 60, 000 gallons (230 tonnes) d'eau ultrapure.

"Tout doit s'emboîter dans une tolérance d'un quart de pouce, " a déclaré Sally Shaw, un chercheur postdoctoral de l'UC Santa Barbara qui a travaillé pour s'assurer que les réservoirs répondent aux exigences rigoureuses de l'expérience LZ.

Les réservoirs ont chacun été nettoyés de l'intérieur vers l'extérieur avant d'être expédiés sur le site de SURF, a-t-elle noté.

"Toute radioactivité à l'intérieur des réservoirs créera de la lumière, " dit-elle. " Il existe une procédure qui consiste à les essuyer avec des solvants. Ensuite, nous utilisons de l'eau déminéralisée et de la poudre de nettoyage spéciale, avec quelqu'un allongé à l'intérieur des réservoirs. Cela implique beaucoup, beaucoup de rinçages, et tester la pureté de l'eau de rinçage. C'est un gros travail."

Les chercheurs de l'UC Santa Barbara ont travaillé en étroite collaboration avec le fabricant des réservoirs, Technologie Reynolds Polymer à Grand Junction, Colo., pour concevoir et concevoir les cadres robustes utilisés pour protéger les réservoirs pendant le transport. Les cadres étaient peints en rose, La couleur préférée de Shaw, en reconnaissance de ses nombreuses contributions au projet.

Les chercheurs de LZ ont effectué de nombreux déplacements sur le site de fabrication des réservoirs pour superviser le processus à différentes étapes.

Une fois que tous les réservoirs sont descendus dans la caverne de recherche et dans le réservoir d'eau vide où LZ sera installé, ils resteront sous emballage protecteur jusqu'aux étapes finales d'assemblage fin 2019.