Des chercheurs utilisent du xénon liquide purifié pour rechercher de mystérieuses particules de matière noire

Situé à un mile sous terre dans une mine d’or abandonnée du Dakota du Sud, un cylindre géant contient 10 tonnes de xénon liquide purifié et est surveillé de près par plus de 250 scientifiques du monde entier. Ce réservoir au xénon est le cœur de LUX-ZEPLIN (LZ) Une tentative de découverte de la matière noire – la substance mystérieuse et invisible qui compose 85% de la matière dans l’univers.

« Les gens cherchaient matière noire Depuis plus de 30 ans, personne n’a encore eu de découverte convaincante, a déclaré Dan Akrip, professeur de physique des particules et d’astrophysique au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie (DOE). Mais avec l’aide de scientifiques, d’ingénieurs et de chercheurs du monde entier, Akrip et ses collègues ont fait de l’expérience LZ l’un des détecteurs de particules les plus sensibles de la planète.

Pour arriver à ce point, les chercheurs du SLAC se sont appuyés sur leur expérience de travail avec les nobles liquides – les formes liquides des gaz nobles tels que xénon– Y compris le développement de techniques utilisées pour purifier les nobles liquides eux-mêmes et de systèmes de détection d’obscurité rare publier interactions au sein de ces fluides. Ce que les chercheurs ont appris aidera non seulement la recherche de matière noire, a déclaré Akrip, mais également d’autres expériences à la recherche de processus de physique des particules rares.

« Ce sont des mystères vraiment profonds de la nature, et cette confluence de la compréhension de ce qui est si grand et si petit en même temps est très excitante », a déclaré Akrip. « Il est possible que nous puissions apprendre quelque chose de complètement nouveau sur la nature. »

La recherche de matière noire dans les profondeurs de la terre

Le principal candidat actuel pour la matière noire est une interaction faible entre des particules massives, ou WIMPs. Cependant, comme l’acronyme l’indique, les WIMP n’interagissent guère avec la matière ordinaire, ce qui les rend très difficiles à détecter, malgré le fait que beaucoup d’entre elles nous passent en théorie tout le temps.

Pour relever ce défi, l’expérience LZ s’est d’abord enfoncée profondément dans l’ancienne mine d’or Homestake, qui est maintenant le Sanford Underground Research Facility (SURF) à Leed, dans le Dakota du Sud. Là, l’expérience est bien protégée du bombardement constant de rayons cosmiques à la surface de la Terre – une source de bruit de fond qui peut rendre la matière noire difficile à trouver difficile à capter.

Cependant, trouver de la matière noire nécessite un détecteur sensible. Pour cette raison, les scientifiques se tournent vers les gaz nobles, qui sont également connus pour leur réticence à réagir avec quoi que ce soit. Cela signifie qu’il y a très peu d’options pour ce qui pourrait se passer lorsqu’une particule de matière noire, ou WIMP, interagit avec un atome de gaz noble, de sorte que les scientifiques ont moins de chances de manquer une interaction déjà difficile à trouver.

Mais quel noble ? Il s’avère que « le xénon est un noble particulièrement bon pour détecter la matière noire », a déclaré Akrip. Akrip a expliqué que la matière noire interagit fortement avec les noyaux et que l’interaction devient plus forte avec la masse atomique d’un atome. Par exemple, les atomes de xénon sont légèrement plus de trois fois plus lourds que les atomes d’argon, mais on s’attend à ce qu’ils aient des interactions avec la matière noire dix fois plus fortes.

Un autre avantage : « Une fois que les autres contaminants sont filtrés du xénon liquide, il sera très silencieux par lui-même », a déclaré Akrip. En d’autres termes, il est peu probable que la désintégration radioactive naturelle du xénon empêche la détection des interactions entre les WIMP et les atomes de xénon.

Uniquement du xénon, s’il vous plaît

L’astuce, a déclaré Akrib, est d’obtenir du xénon pur, sans lequel tous les avantages du gaz noble sont discutables. Cependant, les gaz nobles purifiés ne sont pas facilement disponibles – et le fait qu’ils ne réagissent pas avec grand-chose signifie également qu’ils sont généralement très difficiles à séparer les uns des autres. Et « Malheureusement, vous ne pouvez pas acheter un purificateur d’air standard pour purifier l’eau gaz noblesdit Akrib.

Akrip et ses collègues du SLAC ont donc dû trouver un moyen de purifier tout le xénon liquide dont ils avaient besoin pour le réactif.

Le plus gros contaminant du xénon est le krypton, qui est le deuxième gaz rare le plus léger et possède un isotope radioactif, qui pourrait masquer les réactions que les chercheurs recherchent déjà. Pour empêcher le krypton de devenir un détecteur de particules kryptonite, Akrip et ses collègues ont passé plusieurs années à perfectionner une technique de purification du xénon en utilisant ce qu’on appelle la chromatographie gazeuse au charbon. L’idée de base est de séparer les composants d’un mélange basé sur propriétés chimiques Où le mélange est transporté à travers une sorte de milieu. La chromatographie gazeuse sur charbon utilise de l’hélium comme gaz porteur pour le mélange et du charbon comme milieu de séparation.

« Vous pouvez considérer l’hélium comme une brise régulière à travers le charbon », a expliqué Akrib. « Chaque atome de xénon et de krypton passe une partie du temps collé au charbon et un autre temps non lié. Lorsque les atomes sont à l’état non collé, ils sont balayés par une brise d’hélium dans le puits. » Les atomes des gaz nobles sont d’autant moins visqueux qu’ils sont petits, ce qui signifie que le krypton est un peu moins visqueux que le xénon, il est donc éliminé par la « brise » d’hélium antiadhésive, séparant ainsi le xénon du krypton. Les chercheurs pourraient alors capturer le krypton, le jeter, puis récupérer le xénon, a déclaré Akrip. « Nous avons fait cela pour quelque chose comme 200 bouteilles de gaz xénon – c’était un assez gros disque. »

L’expérience LZ n’est pas la première dans laquelle le SLAC a été impliqué dans la recherche d’une nouvelle physique utilisant le xénon. L’expérience de l’observatoire enrichi au xénon (EXO-200), qui s’est déroulée de 2011 à 2018, a isolé un isotope spécifique du xénon pour rechercher un processus appelé désintégration double bêta sans neutrinos. Les résultats de l’expérience ont indiqué que le processus est incroyablement rare, mais la nouvelle recherche proposée appelée Next EXO (nEXO) continuera à rechercher avec un détecteur similaire à LZ.

Différents type de réseau électrique

Quel que soit le liquide noble qui remplit le détecteur, un système de détection complexe est essentiel si les scientifiques espèrent trouver quelque chose comme la matière noire. au-dessus et au-dessous de la tour xénon liquide Pour l’expérience LZ, il existe de grands réseaux à haute tension qui créent des champs électriques dans le détecteur. Si une particule de matière noire entre en collision avec un atome de xénon et frappe des électrons, elle libérera certains des électrons de l’atome et créera séparément un éclat de lumière qui peut être détecté par des photodétecteurs, a récemment expliqué Ryan Linehan, Ph.D. . Diplômé du groupe LZ du SLAC qui a participé au développement des réseaux haute tension. Les champs électriques qui traversent le détecteur puis poussent électrons libres Il atteint une fine couche de gaz au sommet du cylindre où ils créent un deuxième signal optique. « Nous pouvons utiliser ce deuxième signal avec le signal d’origine pour apprendre beaucoup d’informations sur l’emplacement, l’énergie, le type de particules, etc. », a déclaré Linehan.

Mais ce ne sont pas vos réseaux électriques moyens – ils transportent des dizaines de milliers de volts, et ils sont si élevés que tout morceau microscopique de poussière ou de débris sur le treillis métallique peut provoquer des réactions spontanées qui arrachent les électrons du fil lui-même, a déclaré Linehan. . « Et ces électrons peuvent créer des signaux similaires aux électrons provenant du xénon », masquant ainsi les signaux qu’ils tentent de détecter.

Linehan a déclaré que les chercheurs ont trouvé deux moyens principaux de réduire les risques d’obtenir de faux signaux des réseaux. Tout d’abord, l’équipe a utilisé un processus chimique appelé passivation pour éliminer le fer de la surface des fils de treillis, laissant une surface riche en chrome qui réduit la tendance du fil à émettre des électrons. Deuxièmement, pour éliminer toutes les particules de poussière, les chercheurs ont pulvérisé soigneusement les grilles avec de l’eau déionisée – et très soigneusement – juste avant l’installation. « Ensemble, ces processus nous ont aidés à amener les réseaux dans un état où nous pouvons réellement obtenir des données claires », a-t-il déclaré.

Publier sa propre équipe LZ premiers résultats En ligne début juillet, après avoir poussé encore plus loin la recherche de matière noire.

Linehan et Akrip se sont dits impressionnés par ce que la collaboration mondiale de LZ a pu accomplir. « Ensemble, nous apprenons quelque chose de fondamental sur l’univers et la nature de la matière », a déclaré Akrip. « Nous venons de commencer. »

Les efforts de LZ au SLAC sont dirigés par Akrip, avec Maria Elena Monzani, scientifique principale au SLAC et directrice adjointe des opérations de LZ pour l’informatique et les logiciels, et Thomas Schott, qui était le conférencier fondateur de la collaboration LZ.