El experimento LUX-ZEPLIN (LZ) es un experimento de detección directa de materia oscura de próxima generación que espera observar la dispersión de partículas masivas de interacción débil (WIMP) en los núcleos. [1] Se formó en 2012 combinando los grupos LUX y ZEPLIN . Actualmente es una colaboración de 30 institutos en los EE. UU. , Reino Unido , Portugal y Corea del Sur . El experimento está ubicado a unos 1500 metros debajo de la Instalación 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 compuesto por 7 toneladas de xenón líquido para buscar señales de interacciones entre núcleos y WIMP. Es uno de los tres experimentos de este tipo que lideran la búsqueda de la detección directa de WIMP por encima de 10 GeV/c 2 , los otros dos son el experimento XENONnT y el experimento PANDAX -4T.
En la primavera de 2015, LZ pasó la revisión del "Paso de decisión crítica 1" o CD-1 y se convirtió en un proyecto oficial del DOE. [3] El 21 de septiembre de 2020, los funcionarios del Departamento de Energía de los EE. UU. aprobaron formalmente la finalización del proyecto LZ; el hito de finalización del proyecto del DOE se denomina Decisión crítica 4 o CD-4. [4]
Para identificar de manera concluyente las dispersiones de WIMP en el núcleo, LZ debe poder observar depósitos de energía muy pequeños en su volumen activo. Sin embargo, también debe poder diferenciar las verdaderas dispersiones de WIMP de otras interacciones causadas por el sesgo. Algunos ejemplos de estos "fondos" conocidos son las interacciones de rayos gamma producidas por trazas de radiactividad en el entorno, las interacciones de neutrones producidas en el entorno y las interacciones de 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 las que se produzcan, poder identificar que provienen del fondo (en lugar de WIMP).
En primer lugar, el detector más interno está compuesto por una cámara de proyección temporal de xenón (TPC) de doble fase . [5] [6] Este detector es el objetivo de los dispersores de núcleo 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 la identificación y el rechazo de interacciones de fondo que ocurren cerca de la periferia (lados, parte superior e inferior) del detector. Es muy probable que estas interacciones periféricas provengan de rayos gamma externos o neutrones y desintegraciones radiactivas de radionucleidos traza en los componentes del detector que componen la TPC y los criostatos . Además, la densidad relativamente grande del xenón líquido permite que la TPC se "autoproteja" hasta cierto punto: los rayos gamma (neutrones) que entran en la TPC pueden viajar solo aproximadamente unos pocos centímetros (10 centímetros) antes de dispersarse y detenerse. Como resultado, el volumen más interno del detector está en gran parte 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 las dispersiones WIMP sobre otros fondos, y es el espacio en el que se llevan a cabo las búsquedas WIMP de LZ.
A continuación, el TPC se encuentra dentro de varias capas de blindaje activo y pasivo para reducir las tasas de rayos gamma externos y neutrones. El TPC está alojado en un criostato interior, que mantiene las temperaturas necesarias para mantener el xenón en la fase líquida (aproximadamente 178 K). Este criostato interior está anidado en un criostato exterior más grande, que ayuda a limitar la transferencia de calor al xenón. Fuera del criostato exterior hay un conjunto de tanques acrílicos que contienen un 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, es probable que también deposite energía en el centelleador. Estos depósitos de energía están acompañados por la emisión de fotones ópticos , que pueden detectarse mediante una matriz de tubos fotomultiplicadores (PMT) ubicados fuera de los tanques acrílicos. Al observar una señal de este tipo en coincidencia con una dispersión en el TPC, se hace posible rechazar los fondos en el TPC que de otra manera 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 de 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 blindaje pasivo significativo contra los rayos gamma externos y los neutrones, 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 la Caverna Davis en SURF. Esta ubicación subterránea crea una sobrecarga de roca que reduce significativamente la tasa de muones de rayos cósmicos que ingresan 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 los núcleos de xenón.
El detector en el corazón de LZ es una cámara de proyección temporal de xenón (TPC) de fase dual cilíndrica. [7] Esta se compone de 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 una WIMP o dispersión de fondo, se da 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. Una cantidad 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 se desplazan hacia arriba 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 tridimensional precisa de la posición de una interacción en el xenón. Como el S2 se produce muy cerca de la matriz de PMT superior, por sí solo puede dar una buena idea de dónde se ha producido la interacción en XY (es decir, en relación con el eje del detector). La diferencia de tiempo entre el S1 inmediato y el S2 retardado es un indicador de la profundidad de la interacción: al utilizar la velocidad de deriva de los electrones en el xenón en un campo eléctrico determinado, se puede convertir el tiempo de deriva en una profundidad física o posición Z. En conjunto, esta posición XYZ permite identificar un volumen fiducial interno silencioso para búsquedas WIMP sensibles. También permite la discriminación entre interacciones de un solo sitio similares a las de WIMP e interacciones de múltiples sitios similares al fondo, como las de los neutrones o los rayos gamma.
Tenga en cuenta que, a diferencia de otros tipos de cámaras de proyección de tiempo, como las que se utilizan en experimentos de neutrinos como MicroBooNE , la señal de ionización aquí se captura completamente a través de la luz S2; los electrodos no miden directamente ninguna corriente.
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 pretenden investigar más a fondo las dispersiones de 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 superiores a 36 GeV con un nivel de confianza del 90%, [12] conjuntamente en la misma fecha XENONnT también publicó sus primeros resultados excluyendo las secciones transversales superiores a 28 GeV con un nivel de confianza del 90% [13] Al 26/8/2024, el Experimento había trabajado durante 280 días (con el objetivo de 1.000 días) sin encontrar evidencias de 'materia oscura', pero ajustando los límites de sus propiedades hasta el momento. [14]
