El experimento Large Underground Xenon ( LUX ) tenía como objetivo detectar directamente las interacciones de materia oscura entre partículas masivas de interacción débil (WIMP) y materia ordinaria en la Tierra. A pesar de la gran cantidad de evidencia (gravitacional) que respalda la existencia de materia oscura no bariónica en el Universo, [1] nunca se han detectado directamente partículas de materia oscura en nuestra galaxia en un experimento. LUX utilizó una masa de detección de xenón líquido de 370 kg en una cámara de proyección temporal (TPC) para identificar interacciones de partículas individuales, buscando interacciones débiles de materia oscura con una sensibilidad sin precedentes. [2]
El experimento LUX, cuya construcción costó aproximadamente 10 millones de dólares, [3] se encontraba a 1.510 m (4.950 pies) bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo de Sanford (SURF, anteriormente el Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Subterránea Profunda, o DUSEL) en la mina Homestake (Dakota del Sur) en Lead, Dakota del Sur . El detector se encontraba en el campus de Davis, antiguo emplazamiento del experimento de neutrinos Homestake, ganador del premio Nobel, dirigido por Raymond Davis . Se operaba bajo tierra para reducir la señal de ruido de fondo causada por los rayos cósmicos de alta energía en la superficie de la Tierra.
El detector fue dado de baja en 2016 y ahora está en exhibición en el Centro de Visitantes Homestake del Laboratorio Sanford . [4]
El detector estaba aislado de las partículas de fondo por un tanque de agua que lo rodeaba y por la tierra que lo cubría. Este blindaje reducía la interacción de los rayos cósmicos y la radiación con el xenón.
Las interacciones en el xenón líquido generan fotones y electrones ultravioleta de 175 nm . Estos fotones fueron detectados inmediatamente por dos conjuntos de 61 tubos fotomultiplicadores en la parte superior e inferior del detector. Estos fotones fueron la señal S1. Los electrones generados por las interacciones de partículas se desplazaron hacia arriba en dirección al gas xenón por un campo eléctrico. Los electrones fueron atraídos hacia el gas en la superficie por un campo eléctrico más fuerte y produjeron fotones de electroluminiscencia detectados como la señal S2. La señal S1 y la posterior señal S2 constituyeron una interacción de partículas en el xenón líquido.
El detector era una cámara de proyección temporal (TPC), que utilizaba el tiempo entre las señales S1 y S2 para encontrar la profundidad de interacción, ya que los electrones se mueven a velocidad constante en xenón líquido (alrededor de 1-2 km/s, dependiendo del campo eléctrico). La coordenada xy del evento se infirió a partir de los fotones de electroluminiscencia en la matriz superior mediante métodos estadísticos ( Monte Carlo y estimación de máxima verosimilitud ) con una resolución inferior a 1 cm. [5]
Se esperaría que los WIMP interactuaran exclusivamente con los núcleos de xenón líquido, lo que daría lugar a retrocesos nucleares que parecerían muy similares a las colisiones de neutrones. Para aislar las interacciones de los WIMP, los eventos de neutrones deben minimizarse mediante blindaje y materiales de construcción ultrasilenciosos.
Para distinguir los WIMP de los neutrones, es necesario comparar el número de interacciones individuales con múltiples eventos. Como se espera que los WIMP interactúen de forma tan débil, la mayoría pasaría por el detector sin ser detectados. Los WIMP que interactúen tendrán una probabilidad insignificante de interacción repetida. Los neutrones, por otro lado, tienen una probabilidad razonablemente grande de colisiones múltiples dentro del volumen objetivo, cuya frecuencia se puede predecir con precisión. Con este conocimiento, si la relación entre interacciones individuales y múltiples supera un valor determinado, se puede inferir de manera fiable la detección de materia oscura.
La colaboración LUX estuvo compuesta por más de 100 científicos e ingenieros de 27 instituciones en los EE. UU. y Europa. LUX estuvo compuesta por la mayoría de los grupos estadounidenses que colaboraron en el experimento XENON10 , la mayoría de los grupos en el experimento ZEPLIN III , la mayoría del componente estadounidense del experimento ZEPLIN II y grupos involucrados en búsquedas de eventos raros de bajo nivel de fondo como Super Kamiokande , SNO , IceCube , Kamland , EXO y Double Chooz .
Los portavoces del experimento LUX fueron Richard Gaitskell , de la Universidad Brown (que actuó como coportavoz a partir de 2007) y Daniel McKinsey, de la Universidad de California, Berkeley (que actuó como coportavoz a partir de 2012). Tom Shutt, de la Universidad Case Western Reserve, fue coportavoz de LUX entre 2007 y 2012.
El montaje del detector comenzó a finales de 2009. El detector LUX se puso en funcionamiento en la superficie en SURF durante seis meses. El detector ensamblado se transportó bajo tierra desde el laboratorio de superficie en una operación de dos días en el verano de 2012 y comenzó a tomar datos en abril de 2013, presentando los resultados iniciales en el otoño de 2013. Fue desmantelado en 2016. [4]
El experimento de seguimiento de próxima generación, el LUX-ZEPLIN de 7 toneladas , ha sido aprobado [6] y se espera que comience en 2020. [7]
Los datos iniciales no ciegos tomados de abril a agosto de 2013 se anunciaron el 30 de octubre de 2013. En una ejecución de 85 días en vivo con un volumen fiducial de 118 kg, LUX obtuvo 160 eventos que pasaron los criterios de selección del análisis de datos, todos consistentes con fondos de retroceso de electrones. Un enfoque estadístico de probabilidad de perfil muestra que este resultado es consistente con la hipótesis de solo fondo (sin interacciones WIMP) con un valor p de 0,35. Este fue el resultado de detección directa de materia oscura más sensible del mundo y descartó indicios de señales WIMP de baja masa como los de CoGeNT y CDMS-II . [8] [9] Estos resultados eliminaron algunas de las teorías sobre WIMP, lo que permitió a los investigadores centrarse en menos pistas. [10]
En la última ejecución, de octubre de 2014 a mayo de 2016, con cuatro veces su sensibilidad de diseño original y 368 kg de xenón líquido, LUX no detectó señales de candidatos a materia oscura (WIMP). [7] Según Ethan Siegel , los resultados de LUX y XENON1T han proporcionado evidencia contra el "milagro WIMP" supersimétrico lo suficientemente fuerte como para motivar a los teóricos hacia modelos alternativos de materia oscura. [11]
44°21′07″N 103°45′04″O / 44.352°N 103.751°W / 44.352; -103.751
