I en övergiven guldgruva en mil från Leed, South Dakota, arbetar ingenjörer och fysiker vid University of Wisconsin-Madison på en kammare som innehåller 10 ton flytande xenon. De hoppas att i en underjordisk gruva, där det experimentella utrymmet kommer att skyddas från solpartiklar och kosmisk strålning, kan de upptäcka mörk materia för första gången.
Vi har redan publicerat en detaljerad analys av vad mystisk mörk materia kan vara ur modern fysiks synvinkel. Den ursprungliga hypotesen uppstod redan på 1930-talet, när astronomer insåg att galaxen saknar tyngdkraften för att behålla sin struktur endast på grund av dess synliga källor - stjärnor, planeter, svarta hål etc. Direkt den mörka materien själv innan hittills har det inte varit möjligt att upptäcka, dess existens härleddes bara med hjälp av matematiska gravitationsmodeller. Men astronomer tror att det faktiskt kan finnas fem gånger mer mörk materia i universum än synlig materia. UW-Madison-teamet har beslutat att avsluta denna osäkerhet.
South Dakota-guldgruvexperimentet heter LUX-ZEPLIN, eller förkortat LZ. Det är en utökad version av tidigare Large Underground Xenon (LUX) -experiment och ZEPLIN-programmet för mörk materia. Tanken är att detektera en mörk materiepartikel när den interagerar med en xenonatom, vilket orsakar en kedjereaktion i kammaren, som så småningom kommer att frigöra ultraviolett ljus och släppa en ström av elektroner. Omedelbart efter att den flytande xenonen antänds reagerar xenongasen i kammaren ovanför den genom att avge elektroner och avge en andra, ljusare ljuspuls. Fysiker som arbetar med projektet beskriver det som en "klocka" som kommer att ringa när den utsätts för en partikel av mörk materia.
"Mörka materiepartiklar kan vara här i rummet, passera genom huvudet och eventuellt kollidera med vissa atomer", säger Duncan Carlsmith, professor i fysik vid UW-Madison, i ett pressmeddelande.
Schematisk representation av LUX-ZEPLIN underjordiska laboratorium
Tidigare denna månad godkände Department of Energy de sista stadierna av LZ-konstruktionen vid en guldgruva, officiellt benämnd Sanford Underground Research Center. Under tiden arbetar forskare med en mindre prototypenhet för att säkerställa att när den "stora" LZ lanseras 2020 kommer den inte att vara känslig för störningar.
För att säkerställa att inget annat än mörk materia samverkar med flytande xenon bygger teamet två externa kamrar som är utformade för att upptäcka och ta bort eventuella förorenande partiklar. Kammaren kommer att fyllas med 10 ton flytande xenon och över 500 fotomultiplikatorer - vakuumrör, som är ultrakänsliga ljusdetektorer och övervakar LZ. Om något annat än mörk materia stör resten av xenon måste detektorerna visa att detta är ett falsklarm.
Kampanjvideo:
Så snart installationen i den underjordiska gruvan är klar och experimentet startar, återstår bara att vänta. Fysiker kommer att leta efter massivt interagerande massiva partiklar, eller WIMP, som är de hypotetiska byggstenarna för mörk materia. Man tror att WIMP: er för det mesta går igenom vanligt material utan några spår, men de kan ibland kollidera med vanliga partiklar.
LUX-ZEPLIN-projektdeltagarna har samlat en miniatyrkopia av den framtida installationen. Innan du gör ett globalt experiment måste du testa det på en mindre och dyrare modell.
LZ kommer att vara kvar i minst fem år, men alla hoppas att det kommer att kunna upptäcka WIMP för första gången eller på annat sätt utesluta dem som ett eteriskt ämne som utgör mörk materia. Andra experiment vid Wisconsin's IceCube Center for Particle Astrophysics, liksom projekt i Italien och Kina, genomför egna experiment för att hitta direkta bevis för förekomsten av mörk materia. UW-Madison-fysiker använder också Large Hadron Collider i ett försök att upptäcka mörk materia, som skapas när högenergipartiklar kolliderar. Loppet med upptäckarna av mörk materia är i full gång!
Om vi kan hitta och mäta detta ämne kommer vi att få en större förståelse för hur universum fungerar än någonsin tidigare. Det är möjligt att mörk materia utgör mer än 25 procent av hela kosmos, och när vi väl har upptäckt materialets specifika egenskaper kan det avslöja hemligheter som länge har förblivit dolda för oss.
