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科學家將美國最大的暗物質實驗拼湊在一起

完成組裝地下暗物質搜索實驗所需的大部分剩余部件稱為LUX-ZEPLIN(LZ),在6月份的交付繁忙期間抵達該項目的南達科他州家中。

完成后,LZ將成為美國最大,最敏感的實驗,旨在直接檢測暗物質粒子。幾十年來,世界各地的科學家一直在努力解決暗物質的奧秘,雖然我們到目前為止只通過觀察到的引力效應間接地檢測到它,但暗物質約占宇宙中所有物質的85%。

LZ電子系統的大部分數字組件設計用于傳輸和記錄LZ核心探測器船中微小粒子相互作用的信號,是桑福德地下研究設施(SURF)的新成員。SURF是一個前金礦的遺址,現在致力于廣泛的科學研究,也是一個名為LUX的前身搜索實驗的所在地。

最后一組緊密貼合的丙烯酸容器,將填充一種特殊的液體,用于識別LZ內部探測器中的假暗物質信號,也于6月份到達SURF。

此外,四個復雜編織的線柵中的最后兩個是維持恒定電場和從實驗的內部探測器(也稱為時間投射室)提取信號所必需的,于6月到達

“LZ在6月取得了重大里程碑。這是向SURF交付物品的最繁忙的單月 - 這是最高峰,”能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的LZ項目總監Murdock Gilchriese說。伯克利實驗室是LZ項目的牽頭機構,該項目得到了國際合作的支持,該項目共有約37個參與機構和約250名研究人員和技術支持人員。

“幾個月后LZ的所有行動都將在SURF進行 - 我們已經接近完成所有事情,”Gilchriese說。

SURF執行董事Mike Headley說:“我們已經為這些交付準備了一段時間,而且一切都進展順利。看到實驗裝配工作進展令人興奮,我們期待降低裝配好的探測器地下一英里安裝。“

所有這些部件將沿軸傳輸并安裝在近一英里深的研究洞穴中。上面的巖石提供了一個天然的屏障,可以防止在地球表面下降的顆粒不斷轟擊,產生不必要的“噪音”。

LZ組件也經過精心測試和選擇,以確保它們所制造的材料本身不會干擾研究人員試圖梳理的粒子信號。

LZ特別專注于尋找一種稱為弱相互作用的大質量粒子或WIMP的理論粒子,通過在裝滿10公噸高純度液體氙的罐中觸發獨特的光和電信號序列,這是地球上最稀有的元素之一。氙原子的性質允許它們在某些粒子相互作用中產生光。

暗物質粒子的證明將從根本上改變我們對宇宙構成的理解,因為我們目前的物理標準模型并不能解釋它們的存在。

Gilchriese說,LZ液體氙氣時間投影室的裝配現已完成約80%。當本月晚些時候完全組裝時,這個內部探測器將包含大約500個光電倍增管。這些管設計用于放大和傳輸腔室內產生的信號。

組裝完成后,時間投影室將小心地放入已安裝在SURF的定制鈦制容器中。在它充滿氙氣之前,這個腔室將被降低到大約4,850英尺的深度。它將在一個專門設計用于減少振動的框架中運載,然后通過一個稱為空氣溜冰鞋的氣泵上的臨時組裝的金屬跑道漂浮到實驗洞穴中。

最后,它將被放入已經在地下的較大的外部鈦容器中,以形成容納液體氙所需的最終真空絕熱低溫恒溫器。

伯克利實驗室的LZ副項目經理Simon Fiorucci指出,計劃于9月舉行的為期一天的旅程對整個項目團隊來說將是一次令人難以置信的經歷。

“這肯定是最緊張的 - 這是真正不能失敗的事情。一旦我們完成了這項工作,我們的很多風險就會消失,我們的很多計劃變得更容易了,”他說,“這將是除了在探測器中裝有液體氙之外,它是最大的里程碑。“

項目工作人員將很快開始測試已經安裝在地下的氙氣循環系統,該系統將不斷地使氙氣通過內部探測器,進一步凈化并再次液化。Fiorucci表示,研究人員將使用約250磅的氙氣進行這些早期測試。

LZ的低溫冷卻系統的工作也即將完成,該系統需要將氙氣轉換成液態。

LZ數字電子設備最終將連接到光電倍增管陣列,并能夠讀取粒子相互作用的信號,由羅切斯特大學的研究人員和技術人員于6月在SURF設計,開發,交付和安裝。

“我們所有的電子設備都是專門為LZ設計的,其目標是最大限度地提高我們對最小信號的靈敏度,”羅切斯特大學物理和天文學教授弗蘭克沃爾夫斯說,他正在監督大學的工作。

他指出,超過28英里的同軸電纜將光電倍增管及其放大電子設備(正在加州大學戴維斯分校進行測試)連接到數字化電子設備上。沃爾夫斯補充說:“6月份數字電子產品和在線網絡及計算基礎設施的成功安裝使我們迫切希望看到LZ出現的第一批信號。”

同樣在6月份,LZ參與者將實驗現場的高速數據連接運行到SURF的表面水平,然后再運行到伯克利實驗室。探測器電子設備捕獲的數據最終將通過能源科學網絡(ESnet)傳輸到LZ的主要數據中心 - 伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心(NERSC),這是一個位于伯克利實驗室的高速全國數據網絡。

定制丙烯酸罐(見相關文章)的生產,其中包含一種稱為液體閃爍體的液體,由加州大學圣塔芭芭拉分校的LZ參與者監督。

加州大學圣塔芭芭拉分校的物理學教授哈里·尼爾森說:“六月份交付的最后五個坦克是采用新型丙烯酸成型工藝制造的,以便緊密貼合低溫恒溫器容器。”

“LZ和SURF之間的伙伴關系是巨大的,迄今為止裝配工作的成功證明了這一點,”Headley說。“我們很自豪能夠成為LZ團隊的一員,并在南達科他州舉辦這項世界領先的實驗。”

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