El experimento Large Underground Xenon ( LUX ) tenía como objetivo detectar directamente interacciones de materia oscura de partículas masivas de interacción débil (WIMP) con 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] las partículas de materia oscura en nuestra galaxia nunca han sido detectadas directamente en un experimento. LUX utilizó una masa de detección de xenón líquido de 370 kg en una cámara de proyección de tiempo (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 ubicó a 1.510 m (4.950 pies) bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo de Sanford (SURF, anteriormente el Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Subterráneo Profundo, o DUSEL) en la Mina Homestake (Sur Dakota) en Lead, Dakota del Sur . El detector estaba ubicado en el campus de Davis, antiguo emplazamiento del experimento de neutrinos Homestake , ganador del Premio Nobel, dirigido por Raymond Davis . Fue operado 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 de Sanford Lab Homestake . [4]
El detector fue aislado de las partículas de fondo por un tanque de agua circundante y la tierra de arriba. Este blindaje redujo los rayos cósmicos y la radiación que interactúan 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 rápidos fueron la señal S1. Los electrones generados por las interacciones de las partículas se desplazaron hacia el gas xenón mediante 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 S2 constituyeron una interacción de partículas en el xenón líquido.
El detector era una cámara de proyección de tiempo (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 el xenón líquido (alrededor de 1 a 2 km/s, dependiendo del campo eléctrico). La coordenada xy del evento se dedujo a partir de 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 como resultado retrocesos nucleares que parecerían muy similares a las colisiones de neutrones. Para identificar las interacciones WIMP, se deben minimizar los eventos de neutrones mediante blindaje y materiales de construcción ultrasilenciosos.
Para distinguir los WIMP de los neutrones, el número de interacciones individuales debe compararse con múltiples eventos. Dado que se espera que los WIMP interactúen tan débilmente, la mayoría pasaría desapercibida por el detector. Cualquier WIMP que interactúe tendrá una posibilidad insignificante de interacción repetida. Los neutrones, por otro lado, tienen una probabilidad razonablemente grande de sufrir múltiples colisiones dentro del volumen objetivo, cuya frecuencia puede predecirse con precisión. Utilizando este conocimiento, si la relación entre interacciones individuales y múltiples excede un cierto valor, se puede inferir de manera confiable la detección de materia oscura.
La colaboración LUX estuvo compuesta por más de 100 científicos e ingenieros de 27 instituciones de EE. UU. y Europa. LUX estaba compuesto 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 fondo, como como Super Kamiokande , SNO , IceCube , Kamland , EXO y Double Chooz .
Los coportavoces del experimento LUX fueron Richard Gaitskell de la Universidad de Brown (que actuó como coportavoz desde 2007 en adelante) y Daniel McKinsey de la Universidad de California, Berkeley (que actuó como coportavoz desde 2012 en adelante). 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 servicio en superficie en SURF durante un período de seis meses. El detector ensamblado fue transportado 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 dado de baja en 2016. [4]
Se aprobó el experimento de seguimiento de próxima generación, el LUX-ZEPLIN de 7 toneladas, [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 fiduciario 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 antecedentes (sin interacciones WIMP) con un valor de 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 las de CoGeNT y CDMS-II . [8] [9] Estos resultados descartaron algunas de las teorías sobre los WIMP, lo que permitió a los investigadores centrarse en menos pistas. [10]
En el período final de octubre de 2014 a mayo de 2016, con una sensibilidad cuatro veces superior a su diseño original con 368 kg de xenón líquido, LUX no vio señales de candidatos a materia oscura: los 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
