Le détecteur de matière noire LUX-ZEPLIN (LZ), qui commencera bientôt sa recherche des particules insaisissables censées représenter la majorité de la matière dans l'univers, a reçu sa première paire d'"yeux" jeudi.

Le premier des deux grands réseaux de tubes photomultiplicateurs (PMT) - de puissants capteurs de lumière capables de détecter le plus faible des flashs - a terminé un 2, Voyage de 000 milles en camion de Rhode Island à l'installation de recherche souterraine de Sanford (SURF) à Lead, Dakota du Sud, où LZ devrait commencer sa recherche de matière noire en 2020.

La deuxième baie arrivera en janvier. Lorsque le détecteur LZ est terminé et allumé, les matrices PMT surveilleront attentivement le réservoir de 10 tonnes de xénon liquide de LZ, à la recherche des éclairs jumeaux révélateurs produits si une particule de matière noire heurte un atome de xénon à l'intérieur du réservoir.

Une équipe de chercheurs et de techniciens de l'Université Brown a passé les six derniers mois à assembler minutieusement les deux matrices, chacun d'environ 5 pieds de diamètre et contenant un total de 494 PMT.

« La livraison de ces baies est le point culminant d'un énorme effort d'assemblage que nous avons dû exécuter ici dans notre salle blanche, " a déclaré Rick Gaitskell, un professeur de physique à l'Université Brown qui a supervisé la construction des réseaux. « Depuis deux ans, nous nous sommes assurés que chaque pièce qui entre dans les appareils fonctionne comme prévu. Ce n'est qu'en faisant cela que nous pouvons être sûrs que tout fonctionnera comme nous le souhaitons lorsque le détecteur sera allumé. »

L'équipe Brown a travaillé avec des chercheurs et des ingénieurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et de l'Imperial College de Londres pour concevoir, procurer, test, et assembler tous les composants de la matrice. Test des PMT, qui sont fabriqués par Hamamatsu Corp. au Japon, a été jouée à Brown et à l'Imperial College.

« La livraison de la première gamme de PMT pour LZ à SURF est une étape critique pour le projet LZ, " a déclaré Murdock " Gil " Gilchriese de Berkeley Lab, qui est le directeur du projet LZ.

En prévision de l'arrivée des baies PMT, les chercheurs de SURF avaient déjà travaillé avec des matrices prototypes pour s'entraîner à connecter les PMT à une séquence complexe de câblage. L'assemblage proprement dit de ces câbles aux PMT aura lieu en salle blanche chez SURF.

Personne ne sait exactement ce qu'est la matière noire. Les scientifiques peuvent voir les effets de sa gravité dans la rotation des galaxies et dans la façon dont la lumière se courbe lorsqu'elle voyage à travers l'univers, mais personne n'a détecté directement une particule de matière noire. Le principal candidat théorique pour une particule de matière noire est le WIMP, ou particule massive interagissant faiblement. Les WIMPs ne peuvent pas être vus car ils n'absorbent pas, émettre, ou refléter la lumière. Et ils n'interagissent avec la matière normale qu'en de très rares occasions, c'est pourquoi ils sont si difficiles à détecter même lorsque des millions d'entre eux peuvent voyager à travers la Terre chaque seconde.

L'expérience LZ, une collaboration de plus de 250 scientifiques de 38 institutions à travers le monde, vise à capturer l'une de ces interactions WIMP éphémèrement rares, et ainsi caractériser les particules supposées constituer plus de 80 % de la matière de l'univers. Le détecteur sera le plus sensible jamais construit :100 fois plus sensible que le détecteur LUX, qui a terminé sa recherche de matière noire à SURF en 2016.

Les matrices PMT sont une partie essentielle de l'expérience. Chaque PMT est un cylindre de 6 pouces de long qui correspond à peu près au diamètre d'une canette de soda. Pour former des réseaux suffisamment grands pour surveiller l'ensemble de la cible xénon LZ, des centaines de PMT sont assemblés dans une matrice circulaire en titane. La matrice qui reposera sur la cible au xénon a 253 PMT, tandis que le tableau inférieur en a 241.

Les PMT sont conçus pour amplifier les signaux lumineux faibles. Lorsque des photons individuels (particules de lumière) pénètrent dans un PMT, ils frappent une photocathode. Si le photon a une énergie suffisante, il provoque l'éjection d'un ou plusieurs électrons par la photocathode. Ces électrons frappent alors une électrode, qui éjecte plus d'électrons. En cascadant à travers une série d'électrodes, le signal d'origine est amplifié par plus d'un facteur de 1 million pour créer un signal détectable.

Les matrices PMT de LZ auront besoin de chaque bit de cette sensibilité pour capter les flashs associés à une interaction WIMP.

"Nous pourrions rechercher des événements n'émettant que 20 photons dans un énorme réservoir contenant 10 tonnes de xénon, ce qui est quelque chose que le système visuel humain ne serait pas capable de faire, " dit Gaitskell. " Mais c'est quelque chose que ces réseaux peuvent faire, et nous en aurons besoin pour le faire afin de voir le signal des événements de particules rares. »

Les photons sont produits par ce qu'on appelle un événement de recul nucléaire, qui produit deux flashs distincts. La première survient au moment où une WIMP heurte un noyau de xénon. La deuxième, qui vient quelques centaines de microsecondes après, est produit par le ricochet de l'atome de xénon qui a été touché. Il rebondit sur les atomes qui l'entourent, qui libère quelques électrons. Les électrons sont ensuite entraînés par un champ électrique vers le haut du réservoir, où ils atteignent une fine couche de gaz xénon qui les convertit en lumière.

Pour que ces minuscules flashs puissent être distingués des événements d'arrière-plan indésirables, le détecteur doit être protégé des rayons cosmiques et d'autres types de rayonnement, qui provoquent également l'allumage du xénon liquide. C'est pourquoi l'expérience se déroule sous terre à SURF, une ancienne mine d'or, où le détecteur sera protégé par environ un mile de roche pour limiter les interférences.

La nécessité de limiter les interférences est également la raison pour laquelle l'équipe de l'Université Brown était obsédée par la propreté lors de l'assemblage des matrices. L'ennemi principal de l'équipe était de la vieille poussière.

« Quand vous avez affaire à un instrument aussi sensible que le LZ, soudain, des choses dont vous ne vous soucieriez pas avant deviennent très sérieuses, " a déclaré Casey Rhyne, un étudiant diplômé de l'Université Brown qui a joué un rôle de premier plan dans la construction des réseaux. "L'un des plus grands défis auxquels nous avons dû faire face était de minimiser les niveaux de poussière ambiante pendant l'assemblage."

Chaque particule de poussière transporte une infime quantité de produits de désintégration d'uranium et de thorium radioactifs. Le rayonnement est extrêmement faible et ne présente aucune menace pour les personnes, mais trop de ces points à l'intérieur du détecteur LZ pourraient suffire à interférer avec un signal WIMP.

En réalité, le bilan de poussière de l'expérience LZ ne nécessite pas plus d'un gramme de poussière dans l'ensemble de l'instrument de 10 tonnes. À cause de tous leurs coins et recoins, les matrices PMT pourraient être d'importants dépoussiéreurs si l'on ne prenait pas soin de les garder propres tout au long de la construction.

L'équipe de l'Université Brown a effectué la plupart de ses travaux dans une salle blanche "classe 1000", qui n'autorise pas plus de 1, 000 particules de poussière microscopiques par pied cube d'espace. Et dans cette salle blanche se trouvait un espace encore plus vierge que l'équipe a surnommé "PALACE (PMT Array Lifting And Commissioning Enclosure)." PALACE était essentiellement une salle ultra-propre où se déroulait une grande partie de l'assemblage du réseau. PALACE était un espace de « classe 10 », n'autorisant pas plus de 10 particules de poussière de plus d'un centième de la largeur d'un cheveu humain par pied cube.

Mais les problèmes de radiation ne se sont pas arrêtés à la poussière. Avant le début de l'assemblage des matrices, l'équipe a présélectionné chaque partie de chaque tube PMT pour évaluer les niveaux de rayonnement.

"Nous avons demandé à Hamamatsu de nous envoyer tous les matériaux qu'ils allaient utiliser pour la construction du PMT, et on les met dans un détecteur souterrain au germanium, " a déclaré Samuel Chan, un étudiant diplômé et chef d'équipe du système PMT. "Ce détecteur est très efficace pour détecter le rayonnement émis par les matériaux de construction. Si les niveaux de rayonnement intrinsèques étaient suffisamment faibles dans ces matériaux, puis nous avons dit à Hamamatsu d'aller de l'avant et de les utiliser dans la fabrication de ces PMT. »

L'équipe espère que tout le travail accompli au cours des six derniers mois portera ses fruits lorsque LZ commencera sa recherche WIMP.

"Tout obtenir maintenant aura un impact énorme dans moins de deux ans, quand on allume le détecteur terminé et qu'on prend des données, " Gaitskell a déclaré. "Nous serons en mesure de voir directement à partir de ces données à quel point le travail que nous et d'autres personnes avons fait est bon."

Compte tenu de l'augmentation majeure de la sensibilité de recherche de matière noire que le détecteur LZ peut fournir par rapport à toutes les expériences précédentes, l'équipe espère que ce détecteur identifiera et caractérisera enfin la vaste mer de choses qui nous entoure tous. Jusque là, la substance sombre est restée incroyablement insaisissable.