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科学家将美国最大的暗物质实验拼凑在一起

完成组装地下暗物质搜索实验所需的大部分剩余部件称为LUX-ZEPLIN(LZ),在6月份的交付繁忙期间抵达该项目的南达科他州家中。

完成后,LZ将成为美国最大,最敏感的实验,旨在直接检测暗物质粒子。几十年来,世界各地的科学家一直在努力解决暗物质的奥秘,虽然我们到目前为止只通过观察到的引力效应间接地检测到它,但暗物质约占宇宙中所有物质的85%。

LZ电子系统的大部分数字组件设计用于传输和记录LZ核心探测器船中微小粒子相互作用的信号,是桑福德地下研究设施(SURF)的新成员。SURF是一个前金矿的遗址,现在致力于广泛的科学研究,也是一个名为LUX的前身搜索实验的所在地。

最后一组紧密贴合的丙烯酸容器,将填充一种特殊的液体,用于识别LZ内部探测器中的假暗物质信号,也于6月份到达SURF。

此外,四个复杂编织的线栅中的最后两个是维持恒定电场和从实验的内部探测器(也称为时间投射室)提取信号所必需的,于6月到达

“LZ在6月取得了重大里程碑。这是向SURF交付物品的最繁忙的单月 - 这是最高峰,”能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的LZ项目总监Murdock Gilchriese说。伯克利实验室是LZ项目的牵头机构,该项目得到了国际合作的支持,该项目共有约37个参与机构和约250名研究人员和技术支持人员。

“几个月后LZ的所有行动都将在SURF进行 - 我们已经接近完成所有事情,”Gilchriese说。

SURF执行董事Mike Headley说:“我们已经为这些交付准备了一段时间,而且一切都进展顺利。看到实验装配工作进展令人兴奋,我们期待降低装配好的探测器地下一英里安装。“

所有这些部件将沿轴传输并安装在近一英里深的研究洞穴中。上面的岩石提供了一个天然的屏障,可以防止在地球表面下降的颗粒不断轰击,产生不必要的“噪音”。

LZ组件也经过精心测试和选择,以确保它们所制造的材料本身不会干扰研究人员试图梳理的粒子信号。

LZ特别专注于寻找一种称为弱相互作用的大质量粒子或WIMP的理论粒子,通过在装满10公吨高纯度液体氙的罐中触发独特的光和电信号序列,这是地球上最稀有的元素之一。氙原子的性质允许它们在某些粒子相互作用中产生光。

暗物质粒子的证明将从根本上改变我们对宇宙构成的理解,因为我们目前的物理标准模型并不能解释它们的存在。

Gilchriese说,LZ液体氙气时间投影室的装配现已完成约80%。当本月晚些时候完全组装时,这个内部探测器将包含大约500个光电倍增管。这些管设计用于放大和传输腔室内产生的信号。

组装完成后,时间投影室将小心地放入已安装在SURF的定制钛制容器中。在它充满氙气之前,这个腔室将被降低到大约4,850英尺的深度。它将在一个专门设计用于减少振动的框架中运载,然后通过一个称为空气溜冰鞋的气泵上的临时组装的金属跑道漂浮到实验洞穴中。

最后,它将被放入已经在地下的较大的外部钛容器中,以形成容纳液体氙所需的最终真空绝热低温恒温器。

伯克利实验室的LZ副项目经理Simon Fiorucci指出,计划于9月举行的为期一天的旅程对整个项目团队来说将是一次令人难以置信的经历。

“这肯定是最紧张的 - 这是真正不能失败的事情。一旦我们完成了这项工作,我们的很多风险就会消失,我们的很多计划变得更容易了,”他说,“这将是除了在探测器中装有液体氙之外,它是最大的里程碑。“

项目工作人员将很快开始测试已经安装在地下的氙气循环系统,该系统将不断地使氙气通过内部探测器,进一步净化并再次液化。Fiorucci表示,研究人员将使用约250磅的氙气进行这些早期测试。

LZ的低温冷却系统的工作也即将完成,该系统需要将氙气转换成液态。

LZ数字电子设备最终将连接到光电倍增管阵列,并能够读取粒子相互作用的信号,由罗切斯特大学的研究人员和技术人员于6月在SURF设计,开发,交付和安装。

“我们所有的电子设备都是专门为LZ设计的,其目标是最大限度地提高我们对最小信号的灵敏度,”罗切斯特大学物理和天文学教授弗兰克沃尔夫斯说,他正在监督大学的工作。

他指出,超过28英里的同轴电缆将光电倍增管及其放大电子设备(正在加州大学戴维斯分校进行测试)连接到数字化电子设备上。沃尔夫斯补充说:“6月份数字电子产品和在线网络及计算基础设施的成功安装使我们迫切希望看到LZ出现的第一批信号。”

同样在6月份,LZ参与者将实验现场的高速数据连接运行到SURF的表面水平,然后再运行到伯克利实验室。探测器电子设备捕获的数据最终将通过能源科学网络(ESnet)传输到LZ的主要数据中心 - 伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC),这是一个位于伯克利实验室的高速全国数据网络。

定制丙烯酸罐(见相关文章)的生产,其中包含一种称为液体闪烁体的液体,由加州大学圣塔芭芭拉分校的LZ参与者监督。

加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学教授哈里·尼尔森说:“六月份交付的最后五个坦克是采用新型丙烯酸成型工艺制造的,以便紧密贴合低温恒温器容器。”

“LZ和SURF之间的伙伴关系是巨大的,迄今为止装配工作的成功证明了这一点,”Headley说。“我们很自豪能够成为LZ团队的一员,并在南达科他州举办这项世界领先的实验。”

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