O experimento LZ (LUX-Zeplin), uma colaboração internacional formada em 2012, é um detector WIMP (Partícula massiva que interage fracamente) gerido pelo "Lawrence Berkeley National Lab" do DOE (Berkeley Lab) e localizado no Complexo Sanford de Investigação Subterrânea (SURF) em Dakota do Sul.LZ Lab Technician (Materials Laboratory Technician) HigherJobEd of "South Dakota School of Mines and Technology "Next-Generation Dark Matter Experiments Get the Green Light por Kate Greene pelo "Lawrence Berkeley National Laboratory" em 15 de julho de 2014 LZ experimento é um experimento de detecção direta de matéria escura de última geração. Quando concluído, o experimento será experimento mais sensível do mundo para WIMPs sobre uma grande variedade de massas de WIMPs. LZ é uma colaboração de 30 institutos dos EUA, Reino Unido, Portugal e Rússia.New dark matter detector gets green light by Gail Wilson of "Imperial's News site" on 18 August 2014
A experiência LZ (LUX-ZEPLIN) utiliza um detetor ultra-sensível composto por 7 toneladas de xénon líquido para procurar sinais de interações entre WIMPs e núcleos atómicos. É uma das três experiências que lideram a pesquisa direta de WIMPs com massas acima de 10 GeV/c2, sendo as outras duas a experiência XENON e a experiência PANDAX-4T.
Na primavera de 2015, o LZ passou a revisão "Critical Decision Step 1" (ou CD-1), tornando-se um projeto oficial do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE).Welcome to the LZ dark matter experiment's webpage Responsáveis do DOE assinaram formalmente a conclusão do projeto (marco Critical Decision 4, ou CD-4) a 21 de setembro de 2020.
Em 2024, os resultados do LZ não encontraram evidências de WIMPs acima de uma massa de 9 GeV/c2.
O LZ como detetor de baixo fundo
Para identificar conclusivamente colisões WIMP-núcleo, o LZ deve ser capaz de observar deposições de energia extremamente pequenas no seu volume ativo. No entanto, deve também diferenciar colisões genuínas de WIMPs de outras interações causadas por viés. Exemplos destes "backgrounds" conhecidos são as interações de raios gama produzidos pela radioatividade residual no ambiente, interações de neutrões produzidos no ambiente, e interações de muões de raios cósmicos produzidos na alta atmosfera. Os dois objetivos de uma pesquisa de matéria escura são minimizar o número destas interações de fundo e, para aquelas que ocorrem, ser capaz de identificar que provêm do fundo (em oposição a WIMPs). Primeiro, o detetor interno é composto por uma câmara de projeção temporal (TPC) de dupla fase de xénon. Este detetor é o alvo para as colisões WIMP-núcleo. Como discutido na próxima secção, este detetor pode realizar uma reconstrução 3D da posição de uma interação no xénon. Isto permite a identificação e rejeição de interações de fundo que ocorrem perto da periferia (lados, topo e fundo) do detetor. Estas interações periféricas são esmagadoramente prováveis de serem originadas por raios gama ou neutrões externos e decaimentos radioativos de radionuclídeos residuais nos componentes que compõem a TPC e os crióstatos. Além disso, a densidade relativamente elevada do xénon líquido permite que a TPC se "auto-blinde" até certo ponto: raios gama (neutrões) que entram na TPC conseguem viajar apenas aproximadamente alguns centímetros (10 centímetros) antes de dispersarem e serem travados. Como resultado, o volume mais interno do detetor está amplamente livre de muitos destes fundos. Por ser tão silencioso, este volume interno, ou "fiducial", é muito sensível à observação de colisões de WIMPs acima de outros fundos, e é o espaço no qual as pesquisas de WIMPs do LZ são conduzidas.
De seguida, a TPC está localizada dentro de várias camadas de blindagem ativa e passiva para reduzir as taxas de raios gama e neutrões externos. A TPC é alojada num crióstato interno, que mantém as temperaturas necessárias para conservar o xénon na fase líquida (aproximadamente 178 K). Este crióstato interno está inserido num crióstato externo maior, que ajuda a limitar a transferência de calor para o xénon. Externamente ao crióstato externo encontra-se um conjunto de tanques de acrílico que contêm cintilador líquido. Este cintilador é alquil-benzeno líquido (LAB) carregado com gadolínio para uma captura de neutrões mais eficiente. Se um raio gama ou neutrão dispersar uma vez dentro da TPC mas depois sair, é provável que também deposite energia no cintilador. Estas deposições de energia são acompanhadas pela emissão de fotões óticos, que podem ser detetados por um conjunto de tubos fotomultiplicadores (PMTs) localizados fora dos tanques de acrílico. Ao observar tal sinal em coincidência com uma dispersão na TPC, torna-se possível rejeitar fundos na TPC que, de outra forma, poderiam parecer colisões de WIMPs. Isto é particularmente importante para os neutrões, que podem penetrar mais profundamente do que os raios gama e que dispersam no núcleo de xénon da mesma forma que se espera que os WIMPs o façam (em vez de dispersarem nos eletrões atómicos do xénon). O conjunto de PMTs do detetor externo está localizado num tanque de água maior. Juntos, o tanque de água e o cintilador líquido também fornecem uma blindagem passiva significativa contra raios gama e neutrões externos, travando a grande maioria deles antes que tenham a oportunidade de entrar na TPC. Toda a montagem está localizada a aproximadamente uma milha de profundidade, na Davis Cavern no SURF. Esta localização subterrânea cria uma sobrecarga de rocha que reduz significativamente a taxa de muões de raios cósmicos que entram na TPC em relação à taxa na superfície da Terra. Todos estes elementos em conjunto garantem que o LZ seja um detetor capaz de realizar uma pesquisa muito sensível de colisões de matéria escura em núcleos de xénon.
Detetor Interno do LZ: TPC de Dupla Fase
O detetor no coração do LZ é uma câmara de projeção temporal (TPC) de xénon de dupla fase cilíndrica. Esta é composta por um alvo de 7 toneladas de xénon líquido e uma pequena região de xénon gasoso acima. O princípio operacional é o seguinte. Quando ocorre uma colisão de um WIMP ou de fundo, uma pequena quantidade de energia cinética é transmitida a um núcleo de xénon (ou eletrão atómico). Isto faz com que o átomo de xénon ricocheteie na área próxima do local da colisão, convertendo a sua energia na produção de fotões de cintilação pronta, eletrões libertados (ionização) e calor. Alguns dos fotões de cintilação pronta podem ser detetados pelos tubos fotomultiplicadores (PMTs) no topo e no fundo do detetor. Os eletrões de ionização derivam para cima num campo elétrico aplicado externamente e, ao atingirem a superfície do líquido, são puxados para o gás e criam luz de eletroluminescência num campo elétrico mais forte. Esta eletroluminescência cria um sinal "S2" atrasado. Os campos elétricos criados externamente são gerados por um conjunto de quatro grelhas de elétrodos de alta voltagem: o fundo, o cátodo, a porta (gate) e o ânodo.
Tomados em conjunto, o S1 e o S2 permitem uma reconstrução 3D precisa da posição de uma interação no xénon. Como o S2 ocorre muito perto do conjunto superior de PMTs, este pode, por si só, dar uma boa noção de onde em XY (ou seja, em relação ao eixo do detetor) ocorreu a interação. A diferença de tempo entre o S1 pronto e o S2 atrasado é um indicador da profundidade da interação: ao utilizar a velocidade de deriva dos eletrões no xénon num determinado campo elétrico, pode-se converter o tempo de deriva numa profundidade física, ou posição Z. Juntos, esta posição XYZ permite identificar um volume fiducial interno silencioso para pesquisas sensíveis de WIMPs. Também permite a discriminação entre interações de local único (tipo WIMP) e interações de múltiplos locais (tipo fundo), como as provenientes de neutrões ou raios gama.
Note-se que, ao contrário de outros tipos de câmaras de projeção temporal, como as utilizadas em experiências de neutrinos como a MicroBooNE, o sinal de ionização aqui é totalmente capturado via luz S2 — nenhuma corrente é medida diretamente pelos elétrodos.
Pesquisas de WIMPs do LZ
Em julho de 2022, a colaboração LZ publicou numa pré-publicação o seu primeiro limite superior para a secção eficaz de dispersão spin-independente WIMP-nucleão, utilizando aproximadamente 60 dias de dados úteis.
A 28 de julho de 2023, os primeiros resultados das pesquisas de WIMPs da experiência LZ, anteriormente lançados como pré-publicação, foram publicados na Physical Review Letters, excluindo secções eficazes acima de 9,2 × 10−48 cm2 para 36 GeV com 90% de nível de confiança. Na mesma data, a XENON publicou também os seus primeiros resultados, excluindo secções eficazes acima de 2,58 × 10−47 cm2 para 28 GeV com 90% de nível de confiança. Até agosto de 2024, a experiência tinha operado durante 280 dias (com o objetivo de 1.000 dias) sem encontrar evidências de 'matéria escura', mas estreitando os limites das suas propriedades até ao momento.Lauren Biron: "LZ Experiment Sets New Record in Search for Dark Matter" News from Berkeley Lab.
Ligações externas The LZ Dark Matter Experiment
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