experimento LZ

El experimento LUX-ZEPLIN (LZ) es un experimento de detección directa de materia oscura de próxima generación que busca observar la dispersión de partículas masivas de interacción débil (WIMP) en núcleos. ^{[ 1 ]} Se formó en 2012 mediante la combinación de los grupos LUX y ZEPLIN . Actualmente es una colaboración de 30 institutos en EE. UU. , Reino Unido , Portugal y Corea del Sur . El experimento está ubicado a unos 1500 metros bajo la Instalación Subterránea de Investigación Sanford (SURF) en Dakota del Sur , ^{[ 2 ]} y es administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) .

El experimento utiliza un detector ultrasensible compuesto por 7 toneladas de xenón líquido para buscar señales de interacciones entre WIMP y núcleos. Es uno de los tres experimentos de este tipo que lideran la búsqueda de la detección directa de WIMP por encima de 10 GeV/c² ^, siendo los otros dos el experimento XENON y el experimento PANDAX -4T.

En la primavera de 2015, LZ superó la revisión del "Paso 1 de Decisión Crítica" o CD-1 y se convirtió en un proyecto oficial del DOE. ^{[ 3 ]} El 21 de septiembre de 2020, funcionarios del Departamento de Energía de EE. UU. aprobaron formalmente la finalización del proyecto LZ; el hito de finalización del proyecto del DOE se denomina Decisión Crítica 4 o CD-4. ^{[ 4 ]}

Hasta diciembre de 2025, los resultados de LZ no han encontrado evidencia de WIMP por encima de una masa de 9 GeV/c ² . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Para identificar de forma concluyente las dispersiones WIMP-núcleo, LZ debe ser capaz de observar depósitos de energía muy pequeños en su volumen activo. Sin embargo, también debe ser capaz de diferenciar las dispersiones WIMP verdaderas de otras interacciones causadas por sesgo. Ejemplos de estos "fondos" conocidos son las interacciones de rayos gamma producidos por radiactividad traza en el ambiente, las interacciones de neutrones producidos en el ambiente y las interacciones de muones de rayos cósmicos producidos en la atmósfera superior. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Los dos objetivos de una búsqueda de materia oscura son minimizar el número de estas interacciones de fondo y, para aquellas que ocurren, poder identificar que provienen del fondo (en contraposición a las WIMP). ^{[ 9 ]}

Primero, el detector más interno está compuesto por una cámara de proyección de tiempo (TPC) de xenón de doble fase . ^{[ 10 ] [ 9 ]} Este detector es el objetivo para las dispersiones WIMP-núcleo. Como se analiza en la siguiente sección, este detector puede realizar una reconstrucción 3D de la posición de una interacción en el xenón. Esto permite identificar y rechazar las interacciones de fondo que ocurren cerca de la periferia (lados, parte superior e inferior) del detector. ^{[ 7 ]} Es muy probable que estas interacciones periféricas provengan de rayos gamma o neutrones externos y desintegraciones radiactivas de radionúclidos traza en los componentes del detector que componen la TPC y los criostatos . Además, la densidad relativamente alta del xenón líquido permite que la TPC se "autoproteja" hasta cierto punto: los rayos gamma (neutrones) que entran en la TPC solo pueden viajar aproximadamente unos pocos centímetros (10 centímetros) antes de dispersarse y detenerse. ^{[ 11 ]} Como resultado, el volumen más interno del detector está prácticamente libre de muchos de estos fondos. Debido a su bajo nivel de ruido, este volumen interno, o "fiducial", es muy sensible a la observación de dispersiones de WIMP por encima de otros fondos, y es el espacio en el que se realizan las búsquedas de WIMP de LZ. ^{[ 7 ]}

A continuación, el TPC se encuentra dentro de varias capas de blindaje activo y pasivo para reducir las tasas de rayos gamma y neutrones externos. El TPC está alojado en un criostato interno, que mantiene las temperaturas necesarias para mantener el xenón en fase líquida (aproximadamente 178 K). Este criostato interno está anidado dentro de un criostato externo más grande, que ayuda a limitar la transferencia de calor al xenón. Fuera del criostato externo hay un conjunto de tanques acrílicos que contienen centelleador líquido . Este centelleador es alquilbenceno líquido (LAB) cargado con gadolinio para una captura de neutrones más eficiente. ^{[ 10 ]} Si un rayo gamma o neutrón se dispersa una vez dentro del TPC pero luego sale, es probable que también deposite energía en el centelleador. Estos depósitos de energía van acompañados de la emisión de fotones ópticos , que pueden ser detectados por una matriz de tubos fotomultiplicadores (PMT) ubicados fuera de los tanques acrílicos. ^{[ 7 ]} Al observar dicha señal en coincidencia con una dispersión en el TPC, es posible rechazar fondos en el TPC que de otro modo podrían parecer dispersiones de WIMP. Esto es particularmente importante para los neutrones, que pueden penetrar más lejos que los rayos gamma y que se dispersan en el núcleo de xenón de la misma manera que se espera que lo hagan las WIMP (en lugar de en los electrones atómicos del xenón). El conjunto de PMT del detector externo está ubicado en un tanque de agua más grande. Juntos, el tanque de agua y el centelleador líquido también proporcionan un blindaje pasivo significativo contra los rayos gamma y neutrones externos, deteniendo a la gran mayoría de ellos antes de que tengan la oportunidad de entrar en el TPC. ^{[ 7 ]} Todo el conjunto está ubicado aproximadamente a una milla bajo tierra, en la Caverna Davis en SURF. ^{[ 12 ]} Esta ubicación subterránea crea una sobrecarga de roca que reduce significativamente la tasa de muones de rayos cósmicos que entran en el TPC en relación con la tasa en la superficie de la Tierra. En conjunto, estas diferentes estrategias garantizan que LZ sea un detector capaz de realizar una búsqueda muy sensible de la dispersión de materia oscura en núcleos de xenón.

El detector en el corazón de LZ es una cámara de proyección de tiempo (TPC) cilíndrica de xenón de doble fase. ^{[ 13 ] [ 7 ]} Esta está compuesta por un blanco de xenón líquido de 7 toneladas y una pequeña región de xenón gaseoso encima. El principio de funcionamiento es el siguiente. Cuando se produce una dispersión WIMP o de fondo, una pequeña cantidad de energía cinética se transfiere a un núcleo de xenón (o electrón atómico). Esto hace que el átomo de xenón rebote alrededor del área cercana al sitio de dispersión, convirtiendo su energía en la producción de fotones de centelleo instantáneos , electrones liberados (ionización) y calor. Varios de los fotones de centelleo instantáneos pueden ser detectados por los tubos fotomultiplicadores (PMT) en la parte superior e inferior del detector. Los electrones de ionización se desplazan hacia arriba en un campo eléctrico aplicado externamente y, al llegar a la superficie del líquido, son atraídos por el gas y crean luz de electroluminiscencia en un campo eléctrico más fuerte. Esta electroluminiscencia crea una señal "S2" retardada. Los campos eléctricos generados externamente se crean mediante un conjunto de cuatro rejillas de electrodos de alto voltaje : la inferior, el cátodo, la compuerta y el ánodo. ^{[ 14 ]}

En conjunto, S1 y S2 permiten una reconstrucción 3D precisa de la posición de una interacción en el xenón. Dado que S2 ocurre muy cerca del conjunto superior de PMT, por sí solo puede dar una buena idea de dónde en XY (es decir, en relación con el eje del detector) ha ocurrido la interacción. ^{[ 11 ]} La diferencia de tiempo entre S1 inmediato y S2 retardado es un indicador de la profundidad de la interacción: utilizando la velocidad de deriva de los electrones en el xenón a un campo eléctrico dado, se puede convertir el tiempo de deriva en una profundidad física, o posición Z. En conjunto, esta posición XYZ permite identificar un volumen fiducial interno tranquilo para búsquedas sensibles de WIMP. También permite discriminar entre interacciones de un solo sitio tipo WIMP e interacciones de múltiples sitios tipo fondo, como las de neutrones o rayos gamma.

Cabe destacar que, a diferencia de otros tipos de cámaras de proyección temporal, como las utilizadas en experimentos de neutrinos como MicroBooNE , la señal de ionización en este caso se captura completamente a través de la luz S2; no se mide ninguna corriente directamente mediante electrodos.

En julio de 2022, la colaboración LZ publicó en una preimpresión su primer límite superior en la sección transversal de dispersión WIMP-nucleón independiente del espín, utilizando aproximadamente 60 días de datos reales. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

El 28 de julio de 2023, los primeros resultados del experimento LZ de sus búsquedas de WIMP, previamente publicados como preimpresión, se publicaron en Physical Review Letters , ^{[ 17 ]} excluyendo secciones transversales superiores a 9,2 × 10⁻⁴⁸ cm ² a 36 GeV con un nivel de confianza del 90%, ^{[ 18 ]} conjuntamente en la misma fecha XENON también publicó sus primeros resultados excluyendo secciones transversales superiores a 2,58 × 10⁻⁴⁷ cm²a 28 GeV con un nivel de confianza del 90 %. ^{[ 19 ] A} fecha de 26 de agosto de 2024  El experimento había funcionado durante 280 días (con el objetivo de 1000 días) sin encontrar evidencia de "materia oscura", pero sí estrechando los límites de sus propiedades hasta el momento. ^{[ 20 ]}

• El experimento de materia oscura LZ