Q :Comment obtenez-vous un 5, 000 livres, Détecteur de particules de 9 pieds de haut, conçu pour chasser la matière noire, près d'un mile sous terre?

R :Très soigneusement.

La semaine dernière, des équipes de l'installation de recherche souterraine de Sanford (SURF) dans le Dakota du Sud ont attaché le composant central de LUX-ZEPLIN (LZ) - la plus grande expérience de détection directe de matière noire aux États-Unis - sous un ascenseur et s-l-o-w-l-y l'a abaissé 4, 850 pieds dans un puits anciennement utilisé dans les opérations d'extraction d'or.

Ce dernier voyage du détecteur central de LZ le 21 octobre jusqu'à son lieu de repos dans une caverne de recherche construite sur mesure a nécessité une planification approfondie et a impliqué deux mouvements d'essai d'un détecteur "factice" pour assurer sa livraison en toute sécurité.

« Ce fut le mouvement le plus difficile d'un système de détection que j'ai jamais fait en des décennies de travail sur des expériences, " a déclaré Jeff Cherwinka, l'ingénieur en chef LZ de l'Université du Wisconsin, qui a dirigé l'effort de planification du déménagement avec les ingénieurs de SURF et d'autres soutiens.

Jake Davis, un ingénieur mécanicien SURF qui a travaillé sur le mouvement du cryostat, mentionné, "Entre la taille de l'appareil, les limites de l'espace, et les multiples groupes impliqués dans le déménagement, l'ensemble du processus a nécessité une attention rigoureuse à la fois à la conception et à la planification. Avant de fixer le détecteur sous la cage, nous avons fait des tests avec d'autres grues pour voir comment elle réagirait en cas de suspension. Nous avons également effectué des analyses et des tests pour nous assurer qu'il resterait bien droit dans le manche."

Il ajouta, "Le trajet était lent, à environ 100 pieds par minute. La balade au 4, Le niveau de 850 pieds prend généralement 13-15 minutes. Aujourd'hui, cela a pris près de 45 minutes. J'ai roulé dans la cage, le regarder à travers un port d'inspection dans le sol. Il y a eu un énorme soupir de soulagement après le déménagement, mais il reste encore beaucoup de travail à faire pour terminer LZ."

Thérèse Fruth, un chercheur postdoctoral à l'University College London qui travaille sur le détecteur central de LZ, a déclaré que garder LZ bien scellé de tout contaminant pendant son voyage était une priorité élevée - même la moindre trace de poussière et de saleté pourrait finalement affecter ses mesures.

« D'un point de vue scientifique, nous voulions que le détecteur descende exactement comme il était à la surface, " dit-elle. " L'intégrité structurelle est incroyablement importante, mais la propreté aussi, car nous construisons ce détecteur depuis 10 mois en salle blanche. Avant le déménagement, le détecteur a été mis en sac deux fois, puis inséré dans la structure de transport. Puis, le transporteur était enveloppé d'une autre couche de plastique solide. Nous devons également déplacer tous nos équipements sous terre afin de pouvoir effectuer le reste des travaux d'installation sous terre. »

Le détecteur central, connu sous le nom de cryostat LZ et chambre de projection temporelle, sera finalement rempli de 10 tonnes de xénon liquide qui sera refroidi à moins 148 degrés Fahrenheit. Les scientifiques espèrent voir des signaux révélateurs de particules de matière noire produites lorsqu'elles interagissent avec les lourds atomes de xénon dans ce cryostat.

La forme liquide du xénon, un élément très rare, est si dense qu'un morceau de granit peut flotter à sa surface. C'est cette densité, en raison du poids atomique élevé du xénon, cela en fait un bon candidat pour capturer les interactions de particules.

Le cryostat est un grand réservoir, assemblé à partir de titane ultra pur, est d'environ 5,5 pieds de diamètre. Il contient des systèmes avec un total de 625 tubes photomultiplicateurs qui sont positionnés en haut et en bas (voir un article connexe). Ces tubes sont conçus pour capter les éclairs de lumière produits lors des interactions de particules.

Pawel Majewski du laboratoire Rutherford Appleton au Royaume-Uni, qui a dirigé la conception, fabrication, nettoyage, et la livraison du cryostat interne de LZ pour le Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni, mentionné, « Maintenant, il est extrêmement gratifiant de le voir … tenir le cœur de l'expérience et reposer à sa place finale dans le campus Davis, à un kilomètre sous terre."

LZ est conçu pour chasser les particules de matière noire théorisées appelées WIMPs, ou des particules massives interagissant faiblement. La matière noire représente environ 27% de l'univers, bien que nous ne sachions pas encore de quoi il est fait et que nous ne l'ayons détecté que par ses effets gravitationnels sur la matière normale.

Il est 100 fois plus sensible que son expérience précédente, appelé LUX, qui fonctionnait dans le même espace souterrain. Placer LZ profondément sous terre sert à le protéger d'une grande partie du bombardement constant de particules présentes à la surface de la Terre.

Le cryostat de LZ sera entouré d'un réservoir rempli d'un liquide connu sous le nom de scintillateur qui sera également équipé d'un réseau de tubes photomultiplicateurs et est conçu pour aider à éliminer les faux signaux du "bruit" de particules indésirables. Et le cryostat et le réservoir de scintillateur seront intégrés dans un grand réservoir d'eau qui fournira une couche tampon supplémentaire contre les signaux de particules indésirables.

Alors que le détecteur principal de LUX était suffisamment petit pour tenir dans l'ascenseur SURF, Le cryostat de LZ s'insère étroitement dans la cage d'ascenseur.

Il a d'abord été déplacé à l'extérieur d'une salle blanche au niveau de la surface, ramassé avec un chariot élévateur, et transporté en position sous la cage d'ascenseur. Il était ensuite attaché au dessous de la cage avec des élingues et des sangles, où il a été lentement déplacé vers le niveau de la Caverne Davis, sa dernière demeure.

Une fois détaché de la cage d'ascenseur, il a été déplacé à l'aide de patins à air sur une surface temporairement assemblée, un peu comme une rondelle de hockey sur air se déplace sur la surface de la table. En raison de la taille du cryostat, les équipes devaient d'abord retirer temporairement les conduits souterrains pour permettre le déplacement.

Murdock "Gil" Gilchriese, directeur du projet LZ et physicien au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), mentionné, "Prochain, le cryostat sera enveloppé de plusieurs couches d'isolant, et quelques autres composants extérieurs seront installés. » Berkeley Lab est l'institution chef de file du projet LZ.

« Ensuite, il sera abaissé dans le récipient du cryostat externe, " Il a ajouté. " Il faudra des mois pour brancher et vérifier tous les câbles et tout rendre étanche au vide. " La plupart des travaux de LZ sont maintenant concentrés sous terre, il a dit, avec plusieurs quarts de travail prévus pour terminer l'assemblage et l'installation du LZ.

Il est prévu de commencer à tester le processus de liquéfaction du gaz xénon pour le LZ en novembre à l'aide d'un cryostat fictif, et de remplir le cryostat actuel avec du xénon au printemps 2020. L'achèvement du projet pourrait intervenir dès juillet 2020, dit Gilchriese.