Potraga za tamnom tvari u rudniku duboko ispod Zemlje

Znanstvenici diljem svijeta desetljećima su pokušavali riješiti misterij tamne tvari, koja čini oko 85 posto sve materije u svemiru. Dokaz o česticama tamne tvari iz temelja bi promijenio naše razumijevanje sastava svemira, no istraživači su do sada zaključivali o tamnoj tvari samo neizravno promatrajući gravitacijske učinke koji se ne mogu objasniti standardnim teorijama gravitacije.

Studenti i istraživači sa Sveučilišta u Rochesteru uključeni su u međunarodnu suradnju oko 250 znanstvenika iz 35 institucija, predvođenih Nacionalnim laboratorijem Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), sastavljajući inovativni podzemni eksperiment potrage za tamnom tvari pod nazivom LUX-ZEPLIN (LZ). Smješten duboko ispod Black Hillsa u Južnoj Dakoti u Sanford Underground Research Facilityu (SURF), detektor tamne tvari nedavno je prošao fazu provjere pokretanja i isporučio svoje prve podatke.

"Nismo vidjeli tamnu tvar, ali prvi rezultati LZ-a pokazuju da je to trenutno najosjetljiviji detektor tamne materije na svijetu", kaže Frank Wolfs, profesor fizike i astronomije u Rochesteru. "LZ će prikupljati podatke oko tisuću dana."

SURF, lokacija nekadašnjeg rudnika zlata, sada je posvećena širokom spektru znanstvenih istraživanja. Sve komponente za LZ transportirane su niz okno i ugrađene u istraživačku pećinu duboku oko 1,5 km. Stijena iznad pruža prirodni štit protiv velikog dijela neprestanog bombardiranja čestica koje padaju na površinu planeta, a koje proizvode neželjenu "buku" koja bi mogla ugušiti signale tamne tvari.

LZ je posebno usredotočen na pronalaženje vrste teoretskih čestica koje se nazivaju masivne čestice sa slabom interakcijom ili WIMP-ovi, pokretanjem sekvenci svjetlosnih i električnih signala u dva ugniježđena spremnika. Spremnici su napunjeni s 10 metričkih tona visoko pročišćenog tekućeg ksenona, koji je među najrjeđim elementima na Zemlji. Svojstva atoma ksenona omogućuju im da proizvode svjetlost u određenim interakcijama čestica.

Projekcijske komore s tekućim ksenonom sadrže oko 500 fotomultiplikatorskih cijevi (PMT). Sudari čestica u ksenonu proizvode vidljive bljeskove svjetlosti koje bilježi PMT. Više od 45 km koaksijalnog kabela povezuje PMT-ove i njihovu elektroniku za pojačavanje s digitalnom elektronikom razvijenom u Rochesteru. Elektronika digitalizira valne oblike iz PMT-a i provodi preliminarnu analizu valnog oblika kako bi odabrala događaje od interesa.

"Signali iz svakog WIMP-a koje LZ otkrije prvo će biti obrađeni elektronikom proizvedenom u Rochesteru", kaže Wolfs.