El experimento LUX-ZEPLIN (LZ) es un experimento de detección directa de materia oscura de próxima generación que espera observar partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP) dispersas en los núcleos. [1] Se formó en 2012 combinando los grupos LUX y ZEPLIN . Actualmente es una colaboración de 30 institutos en EE.UU. , Reino Unido , Portugal y Corea del Sur . El experimento está ubicado en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Dakota del Sur , [2] y está administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) .
El experimento utiliza un detector ultrasensible hecho de 7 toneladas de xenón líquido para buscar señales de interacciones WIMP-núcleo. Es uno de los tres experimentos que lideran la búsqueda de la detección directa de WIMP por encima de 10 GeV/c 2 , siendo los otros dos el experimento XENONnT y el experimento PANDAX -4T.
En la primavera de 2015, LZ pasó la revisión "Paso 1 de decisión crítica" o CD-1 y se convirtió en un proyecto oficial del DOE. [3] El 21 de septiembre de 2020, funcionarios del Departamento de Energía de EE. UU. aprobaron formalmente la finalización del proyecto para LZ; El hito de finalización del proyecto del DOE se llama Decisión Crítica 4 o CD-4. [4]
Para identificar de manera concluyente las dispersiones del núcleo WIMP, LZ debe poder observar deposiciones de energía muy pequeñas en su volumen activo. Sin embargo, también debe poder diferenciar las verdaderas dispersiones WIMP de otras interacciones causadas por partículas conocidas. Ejemplos de estos "fondos" conocidos son las interacciones de los rayos gamma producidos por trazas de radiactividad en el medio ambiente, las interacciones de los neutrones producidos en el medio ambiente y las interacciones de los muones de rayos cósmicos producidos en la atmósfera superior. Los dos objetivos de una búsqueda de materia oscura son minimizar el número de estas interacciones de fondo y, en el caso de que ocurran, poder identificar que provienen del fondo (a diferencia de los WIMP).
Primero, el detector más interno está compuesto por una cámara de proyección de tiempo (TPC) de xenón de doble fase . [5] [6] Este detector es el objetivo de las dispersiones de núcleos WIMP. Como se analiza en la siguiente sección, este detector puede realizar una reconstrucción tridimensional de la posición de una interacción en el xenón. Esto permite identificar y rechazar las interacciones de fondo que ocurren cerca de la periferia (laterales, superior e inferior) del detector. Es muy probable que estas interacciones periféricas se deban a rayos gamma o neutrones externos y a desintegraciones radiactivas de trazas de radionucleidos en los componentes del detector que componen el TPC y los criostatos . Además, la densidad relativamente grande del xenón líquido permite que el TPC se "autoproteja" hasta cierto punto: los rayos gamma (neutrones) que ingresan al TPC pueden viajar sólo unos pocos centímetros (10 centímetros) antes de dispersarse y detenerse. Como resultado, el volumen más interno del detector está prácticamente libre de muchos de estos fondos. Debido a que es tan silencioso, este volumen más interno o "fiducial" es muy sensible a la observación de dispersiones de WIMP sobre otros fondos, y es el espacio en el que se realizan las búsquedas de WIMP de LZ.
A continuación, el TPC se ubica dentro de varias capas de blindaje activo y pasivo para reducir las tasas de rayos gamma y neutrones externos. El TPC está alojado en un criostato interno, que mantiene las temperaturas necesarias para mantener el xenón en fase líquida (aproximadamente 178 K). Este criostato interno está anidado en un criostato externo más grande, lo que ayuda a limitar la transferencia de calor al xenón. Externo al criostato exterior hay un conjunto de tanques acrílicos que contienen centelleador líquido . Este centelleador es alquilbenceno líquido (LAB) cargado con gadolinio para una captura de neutrones más eficiente. Si un rayo gamma o un neutrón se dispersa una vez dentro del TPC pero luego sale, probablemente también depositará energía en el centelleador. Estos depósitos de energía van acompañados de la emisión de fotones ópticos , que pueden ser detectados por una serie de tubos fotomultiplicadores (PMT) ubicados fuera de los tanques acrílicos. Al observar dicha señal en coincidencia con una dispersión en el TPC, es posible rechazar fondos en el TPC que de otro modo podrían parecer dispersiones WIMP. Esto es particularmente importante para los neutrones, que pueden penetrar más lejos que los rayos gamma y que se dispersan en el núcleo de xenón de la misma manera que se espera que lo hagan los WIMP (en lugar de en los electrones atómicos del xenón). El conjunto PMT del detector externo está ubicado en un tanque de agua más grande. Juntos, el tanque de agua y el centelleador líquido también proporcionan un importante blindaje pasivo contra rayos gamma y neutrones externos, deteniendo a una gran mayoría de ellos antes de que tengan la oportunidad de ingresar al TPC. Todo el conjunto está ubicado aproximadamente a una milla bajo tierra, en Davis Cavern en SURF. Esta ubicación subterránea crea una sobrecarga de roca que reduce significativamente la tasa de entrada de muones de rayos cósmicos al TPC en relación con la tasa en la superficie de la Tierra. En conjunto, estas diferentes estrategias garantizan que LZ sea un detector capaz de realizar una búsqueda muy sensible de dispersiones de materia oscura en núcleos de xenón.
El detector en el corazón de LZ es una cámara de proyección de tiempo (TPC) de xenón de doble fase cilíndrica. [7] Está compuesto por un objetivo de xenón líquido de 7 toneladas y una pequeña región de xenón gaseoso encima. El principio operativo es el siguiente. Cuando se produce un WIMP o una dispersión de fondo, se transfiere una pequeña cantidad de energía cinética a un núcleo de xenón (o electrón atómico). Esto hace que el átomo de xenón rebote alrededor del área cercana al sitio de la dispersión, convirtiendo su energía en la producción de fotones de centelleo rápido , electrones liberados (ionización) y calor. Varios de los fotones de centelleo rápido pueden ser detectados por los tubos fotomultiplicadores (PMT) en la parte superior e inferior del detector. Los electrones de ionización ascienden en un campo eléctrico aplicado externamente y, al llegar a la superficie del líquido, son atraídos hacia el gas y crean luz electroluminiscente en un campo eléctrico más fuerte. Esta electroluminiscencia crea una señal "S2" retardada. Los campos eléctricos creados externamente son creados por un conjunto de cuatro rejillas de electrodos de alto voltaje : la parte inferior, el cátodo, la compuerta y el ánodo. [8]
En conjunto, el S1 y el S2 permiten una reconstrucción 3D precisa de la posición de una interacción en el xenón. Debido a que el S2 ocurre muy cerca de la matriz PMT superior, por sí solo puede dar una buena idea de en qué parte de XY (es decir, en relación con el eje del detector) se ha producido la interacción. La diferencia de tiempo entre el S1 rápido y el S2 retardado es un indicador de la profundidad de la interacción: al utilizar la velocidad de deriva de los electrones en xenón en un campo eléctrico dado, se puede convertir el tiempo de deriva a una profundidad física, o posición Z. En conjunto, esta posición XYZ permite identificar un volumen fiduciario interno silencioso para búsquedas WIMP sensibles. También permite la discriminación entre interacciones de un solo sitio tipo WIMP e interacciones de múltiples sitios tipo fondo, como las de neutrones o rayos gamma.
Tenga en cuenta que, a diferencia de otros tipos de cámaras de proyección del tiempo, como las utilizadas en experimentos de neutrinos como MicroBooNE , la señal de ionización aquí se captura completamente a través de la luz S2: los electrodos no miden ninguna corriente directamente.
En julio de 2022, la colaboración LZ publicó en una preimpresión su primer límite superior en la sección transversal de dispersión de nucleones WIMP independiente del espín, utilizando aproximadamente 60 días de vida de datos. [9] [10] Las búsquedas futuras tienen como objetivo investigar más a fondo los scatters WIMP, con un período de búsqueda nominal de 1000 días.
El 28 de julio de 2023, los primeros resultados del experimento LZ de sus búsquedas de WIMP, previamente publicados como preimpresión, se publicaron en Physical Review Letters , [11] excluyendo las secciones transversales anteriores a 36 GeV con un nivel de confianza del 90%, [12] conjuntamente en la misma fecha, XENONnT también publicó sus primeros resultados excluyendo secciones transversales superiores a 28 GeV con un nivel de confianza del 90% [13]
