El experimento de materia oscura de Xenón Subterráneo Grande LUX, que opera a casi una milla bajo tierra en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford SURF en Black Hills de Dakota del Sur, ya ha demostrado ser el detector más sensible en la búsqueda demateria oscura, el material invisible que se cree que explica la mayor parte de la materia en el universo. Ahora, un nuevo conjunto de técnicas de calibración empleadas por los científicos de LUX ha mejorado nuevamente la sensibilidad del detector.
Los investigadores con LUX están buscando WIMP, o partículas masivas que interactúan débilmente, que se encuentran entre los principales candidatos para la materia oscura. "Hemos mejorado la sensibilidad de LUX en más de un factor de 20 para partículas de materia oscura de baja masa, significativamentemejorando nuestra capacidad de buscar WIMP ", dijo Rick Gaitskell, profesor de física en la Universidad de Brown y co-portavoz del experimento LUX." Es vital que sigamos impulsando las capacidades de nuestro detector en la búsqueda de la esquiva materia oscurapartículas ", dijo Gaitskell.
Las mejoras LUX, junto con las simulaciones informáticas avanzadas en el Centro Nacional de Computación Científica NERSC del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Centro de Computación y Visualización CCV de la Universidad Brown, han permitido a los científicos realizar pruebasmodelos de partículas adicionales de materia oscura que ahora se pueden excluir de la búsqueda. NERSC también almacena grandes volúmenes de datos LUX, medidos en billones de bytes o terabytes, y Berkeley Lab tiene un papel cada vez más importante en la colaboración LUX.
Los científicos confían en que la materia oscura existe porque los efectos de su gravedad se pueden ver en la rotación de las galaxias y en la forma en que la luz se dobla a medida que viaja por el universo. Debido a que se cree que los WIMP interactúan con otra materia solo en muy raras ocasiones, aún no se han detectado directamente.
"Hemos buscado partículas de materia oscura durante los primeros tres meses del experimento, pero estamos explotando nuevas técnicas de calibración para determinar mejor cómo se verían en nuestro detector", dijo Alastair Currie del Imperial College London, un investigador de LUX ".Estas calibraciones han profundizado nuestra comprensión de la respuesta del xenón a la materia oscura y a los fondos. Esto nos permite buscar, con mayor confianza, partículas que antes no sabíamos que serían visibles para LUX ".
La nueva investigación se describe en un documento enviado a Cartas de revisión física . El trabajo vuelve a examinar los datos recopilados durante los primeros tres meses de LUX en 2013 y ayuda a descartar la posibilidad de detecciones de materia oscura en rangos de baja masa donde otros experimentos habían informado previamente posibles detecciones.
LUX consiste en un tercio de toneladas de xenón líquido rodeado de detectores de luz sensibles. Está diseñado para identificar las muy raras ocasiones en que una partícula de materia oscura colisiona con un átomo de xenón dentro del detector. Cuando ocurre una colisión, un átomo de xenónretroceda y emita un pequeño destello de luz, que es detectado por los sensores de luz de LUX. La ubicación del detector en Sanford Lab debajo de una milla de roca ayuda a protegerlo de los rayos cósmicos y otras radiaciones que interferirían con una señal de materia oscura.
Hasta ahora, LUX no ha detectado una señal de materia oscura, pero su exquisita sensibilidad ha permitido a los científicos descartar vastos rangos de masa donde podrían existir partículas de materia oscura. Estas nuevas calibraciones aumentan esa sensibilidad aún más.
Una técnica de calibración usó neutrones como sustitutos de partículas de materia oscura. Hacer rebotar neutrones de los átomos de xenón permite a los científicos cuantificar cómo responde el detector LUX al proceso de retroceso.
"Es como un juego gigante de billar con un neutrón como bola blanca y los átomos de xenón como rayas y sólidos", dijo Gaitskell. "Podemos rastrear el neutrón para deducir los detalles del retroceso de xenón y calibrar elrespuesta de LUX mejor que cualquier cosa posible anteriormente "
Se cree que la naturaleza de la interacción entre neutrones y átomos de xenón es muy similar a la interacción entre la materia oscura y el xenón. "Es solo que las partículas de materia oscura interactúan mucho más débilmente - aproximadamente un millón-millones-millones-millonesveces más débilmente ", dijo Gaitskell.
Los experimentos de neutrones ayudan a calibrar el detector para interacciones con el núcleo de xenón. Pero los científicos de LUX también han calibrado la respuesta del detector a la deposición de pequeñas cantidades de energía por electrones atómicos golpeados. Eso se hace inyectando metano tritiado, un gas radiactivo--en el detector.
"En una carrera científica típica, la mayoría de lo que LUX ve son eventos de retroceso de electrones de fondo", dijo Carter Hall, profesor de la Universidad de Maryland. "El metano tritiado es una fuente conveniente de eventos similares, y ahora hemos estudiado cientos de milesde sus desintegraciones en LUX. Esto nos da la confianza de que no confundiremos estos eventos de variedades de jardín con materia oscura ".
Se inyectó otro gas radiactivo, el criptón, para ayudar a los científicos a distinguir entre las señales producidas por la radiactividad ambiental y una posible señal de materia oscura.
"El criptón se mezcla uniformemente en el xenón líquido y emite radiación con una energía específica conocida, pero luego se desintegra rápidamente a una forma estable y no radiactiva", dijo Dan McKinsey, profesor de física y co-portavoz de UC Berkeley paraLUX, que también está afiliado a Berkeley Lab. Al medir con precisión la luz y la carga producida por esta interacción, los investigadores pueden filtrar eficazmente los eventos de fondo de su búsqueda.
"Y así continúa la búsqueda", dijo McKinsey. "LUX está nuevamente en modo de detección de materia oscura en Sanford Lab. La última ejecución comenzó a fines de 2014 y se espera que continúe hasta junio de 2016. Esta ejecución representará un aumento enexposición de más de cuatro veces en comparación con nuestra corrida previa de 2013. Estaremos muy entusiasmados de ver si se han mostrado partículas de materia oscura en los nuevos datos ".
McKinsey, anteriormente en la Universidad de Yale, se unió a UC Berkeley y Berkeley Lab en julio, acompañado por miembros de su equipo de investigación.
El Sanford Lab es una instalación propiedad de Dakota del Sur. Homestake Mining Co. donó su mina de oro en Plomo a la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur SDSTA, que reabrió la instalación en 2007 con $ 40 millones en fondos de Dakota del SurLegislatura estatal y una donación de $ 70 millones del filántropo T. Denny Sanford. El Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE respalda las operaciones de Sanford Lab.
Kevin Lesko, quien supervisa las operaciones de SURF y dirige el Grupo de Investigación Dark Matter en Berkeley Lab, dijo: "Es bueno ver que los experimentos instalados en SURF continúan produciendo resultados líderes en el mundo".
La colaboración científica LUX, que cuenta con el apoyo del DOE y la National Science Foundation NSF, incluye 19 universidades de investigación y laboratorios nacionales en los Estados Unidos, el Reino Unido y Portugal.
"La búsqueda global de materia oscura tiene como objetivo responder una de las preguntas más importantes sobre la composición de nuestro universo. Estamos orgullosos de apoyar la colaboración LUX y felicitarlos por lograr un nivel de sensibilidad aún mayor", dijo Mike Headley,Director Ejecutivo de la SDSTA.
La planificación para el experimento de materia oscura de próxima generación en Sanford Lab ya está en marcha. A fines de 2016, LUX será desmantelado para dar paso a un nuevo detector de xenón mucho más grande, conocido como el experimento LUX-ZEPLIN LZ. LZtendría un objetivo de xenón líquido de 10 toneladas, que cabe dentro del mismo tanque de agua pura de 72,000 galones utilizado por LUX. Los científicos de Berkeley Lab tendrán roles de liderazgo importantes en la colaboración de LZ.
"Las innovaciones del experimento LUX forman la base del experimento LZ, que se planea alcanzar más de 100 veces la sensibilidad de LUX. El experimento LZ es tan sensible que debería comenzar a detectar un tipo de neutrino que se origina en el Solque incluso el experimento ganador del Premio Nobel de Ray Davis en la mina Homestake no pudo detectarlo ", según Harry Nelson de UC Santa Barbara, portavoz de LZ.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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