LUX-ZEPLIN, A la Caza de la Materia Oscura / LUX-ZEPLIN, On the Hunt for Dark Matter

in Cervantes4 months ago


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Imagen que ilustra de la comprensión actual de la Vía Láctea / Image illustrating current understanding of the Milky Way galaxy. Fuente / Source

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Español

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LUX-ZEPLIN, A la Caza de la Materia Oscura

Hace un tiempo realicé una publicación sobre la materia oscura, en él expliqué, el origen del concepto, lo que sobre ella se sabe, las evidencias de su existencia y las posibles explicaciones su origen. En esta ocasión explicaré un poco sobre lo que están haciendo los científicos para probar, de forma directa, su existencia, de la mano de el que ha sido denominado, el más preciso detector de materia oscura, que existe en la actualidad. Pero antes pongamos un poco de contexto.

Con el término materia oscura se ha denominado a un tipo de materia que no emite radiaciones electromagnéticas, por lo cual no puede ser vista y es casi incapaz de reaccionar con la materia, por lo que sus interacciones difícilmente pueden medirse, logrando atravesar la materia ordinaria sin ser detectada. Sin embargo, si tiene una masa medible, por lo que sus efectos gravitacionales son medibles, y es en estos efectos en los que se encuentra la prueba indirecta de su existencia, efectos que van desde la regulación del giro de las galaxias, evitando que se desgarren, hasta la existencia de lentes gravitacionales, que tienen el efecto de desviar la luz que los atraviesa, como efecto de la curvatura en el espacio tiempo provocada por objetos masivos, en regiones del espacio donde, aparentemente, no hay objetos que los provoquen. [1]

Y es que por más desconocida que sea su naturaleza, la materia oscura conforma la mayor parte de la materia del universo, aproximadamente un 80% de ésta. Varios son los sospechosos de conformar esta extraña forma de materia, desde simples objetos astronómicos masivos como, planetas, nubes de gases que no emiten radiación, estrellas oscuras y agujeros negros, que podrían existir en abundancia en el espacio intergaláctico, hasta partículas elementales como neutrinos con masa, axiones, o los denominados WIMPS. [1]

Es de la búsqueda de este último sospechoso, que se trata el experimento LUX-ZEPLIN. WIMPS es el acrónimo inglés para, “Partículas con masa que interactúan débilmente”, se trataría de un conjunto hipotético de partículas con masa, que no interactuarían con la luz, pero si serían capaces de interactuar débilmente con la materia. En principio los WIMPS, podrían estar atravesándonos junto a todo lo que nos rodea, incluida la Tierra, en este momento, sin llegar a interactuar con nuestros átomos, por lo que no seríamos capaces de detectarlos. [1][3][4]

Sin embargo, la interacción de estas partículas con los núcleos atómicos, aunque muy poco probable, si sería posible, por lo que se requeriría de un experimento que permita observar, una gran cantidad de materia, en condiciones de aislamiento absoluto, por un prolongado periodo de tiempo, con el fin de logar detectar alguna de estas interacciones. [1][3][4]

El experimento LUX-ZEPLIN (LZ), el cual se desarrolla en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford (SURF), en medio de una mina de oro abandonada, en las profundidades de las Colinas Negras de Dakota del Sur, en EEUU, es dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), e incluye a un equipo de 250 científicos e ingenieros de 35 instituciones de todo mundo; y es el resultado de la unión de dos de los más experimentado grupos en la búsqueda de la materia oscura, el experimento LUX, acrónimo de “Large Underground Xenon experiment”, llevado a cabo entre los años 2009 y 2016 y situado en la misma locación del LZ y el ZEPLIN III, realizado entre los años 2006 y 2011, en el Laboratorio Subterráneo Boulby, en North-East England, en el Reino Unido. [3][5][6][7][8]

El experimento LZ, consiste en un tanque criogénico, con paredes de titanio y capacidad para 10 toneladas de xenón líquido y con una masa efectiva de 7 toneladas, a la cual se sobrepone una pequeña cantidad de xenón gaseoso, sus paredes interiores están recubiertas por unos 500 tubos fotomultiplicadores, capaces de detectar cualquier emisión de fotones que se produzca en el interior del tanque. Con el propósito de aislar este tanque llamado Criostato, del ruido causado por los rayos cósmicos y la radiación ambiental, éste a sido introducido en otro tanque, lleno con 238 toneladas de agua pura. [1][5][6]

El principio de funcionamiento del experimento consiste en esperar que, en algún momento, un WIMP, al cruzar el xenón líquido interactúe con el núcleo de uno de sus átomos y emita un pequeño destello ultravioleta denominado S1, y una pequeña cantidad de electrones, que a su vez provocaran un segundo destello en la capa superior de xenón gaseoso, por ionización, denominado S2. Ambos destellos serían detectados por los fotomultiplicadores y la diferencia de tiempo entre ellos y entre la energía depositada por ambos, permitiría determinar la cantidad de energía de la reacción lo cual ayudaría a identificar, la interacción con qué tipo de partícula, la causó. [2][6]

El 7 de julio de este año han sido publicados los primeros resultados del funcionamiento del LZ, los cuales abarcan un periodo de funcionamiento de 60 días, de los 1000 días efectivos, que se pretende funcione el experimento. El resultado ha sido que, de 335 señales detectadas, todas ellas han sido identificadas como de ruido de fondo, el cual, muy a pesar de todas los medios usado, no puede ser evitado del todo, sin embargo, este resultado negativo, ha permitido establecer un rango energético en el cual no se han encontrado partículas sin identificar que puedan ser consideradas WIMP, lo que permite afinar más el rango de energía en el que estas partículas se deben encontrar. [2]

Ya para el futuro, se planean nuevas técnicas para hacer más precisas las lecturas y del LZ, a la vez que se planea como diferenciar los neutrinos emitidos por el Sol, de cualquier otra partícula cuyo rango de energía se encuentre dentro del de la llamada niebla de neutrinos. [1][2]

De igual forma el experimento LZ, planea unir fuerzas con sus competidores internacionales, XENONnT y DARWIN, con el propósito de planificar a futuro, experimentos más ambiciosos que conduzcan a resultados más precisos. [1][2]

Texto de @amart29, Barcelona, Venezuela, julio de 2022

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English


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LUX-ZEPLIN, On the Hunt for Dark Matter

Some time ago I published a paper on dark matter, in which I explained the origin of the concept, what is known about it, the evidence of its existence and the possible explanations for its origin. This time I will explain a little about what scientists are doing to prove, in a direct way, its existence, with the help of what has been called the most accurate dark matter detector that exists today. But first let's put a little context.

The term dark matter refers to a type of matter that does not emit electromagnetic radiation, so it cannot be seen and is almost incapable of reacting with matter, so its interactions can hardly be measured, managing to pass through ordinary matter without being detected. However, it does have a measurable mass, so its gravitational effects are measurable, and it is in these effects that the indirect proof of its existence is found, effects that range from the regulation of the spin of galaxies, preventing them from tearing apart, to the existence of gravitational lenses, which have the effect of deflecting the light that passes through them, as an effect of the curvature in spacetime caused by massive objects, in regions of space where, apparently, there are no objects that cause them. [1]

And the fact is that, however unknown its nature may be, dark matter makes up most of the matter in the universe, approximately 80% of it. Several are suspected of making up this strange form of matter, from simple massive astronomical objects such as planets, clouds of gases that do not emit radiation, dark stars and black holes, which could exist in abundance in intergalactic space, to elementary particles such as neutrinos with mass, axions, or the so-called WIMPS. [1]

It is the search for the latter suspect that the LUX-ZEPLIN experiment is all about. WIMPS is the acronym for "Weakly interacting particles with mass", a hypothetical set of particles with mass, which would not interact with light, but would be able to interact weakly with matter. In principle, WIMPS could be passing through us and everything around us, including the Earth, at this moment, without interacting with our atoms, so we would not be able to detect them. [1][3][4]

However, the interaction of these particles with atomic nuclei, although very unlikely, would be possible, so it would require an experiment that would allow us to observe a large amount of matter, in conditions of absolute isolation, for a long period of time, in order to detect any of these interactions. [1][3][4]

The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment, which takes place at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in the middle of an abandoned gold mine deep in the Black Hills of South Dakota, USA, is led by the Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and includes a team of 250 scientists and engineers from 35 institutions around the world; and is the result of the union of two of the most experienced groups in the search for dark matter, the LUX experiment, acronym for "Large Underground Xenon experiment", carried out between 2009 and 2016 and located in the same location of the LZ and the ZEPLIN III, carried out between 2006 and 2011, at the Boulby Underground Laboratory, in North-East England, in the United Kingdom. [3][5][6][7][8]

The LZ experiment, consists of a cryogenic tank, with titanium walls and capacity for 10 tons of liquid xenon and with an effective mass of 7 tons, to which is superimposed a small amount of gaseous xenon, its inner walls are lined by about 500 photomultiplier tubes, capable of detecting any photon emission that occurs inside the tank. In order to isolate this tank, called Cryostat, from the noise caused by cosmic rays and environmental radiation, it has been introduced into another tank, filled with 238 tons of pure water. [1][5][6]

The working principle of the experiment is to expect that, at some point, a WIMP, when crossing the liquid xenon, will interact with the nucleus of one of its atoms and emit a small ultraviolet flash called S1, and a small amount of electrons, which in turn will cause a second flash in the upper layer of gaseous xenon, by ionization, called S2. Both flashes would be detected by the photomultipliers and the time difference between them and between the energy deposited by both, would allow to determine the amount of energy of the reaction which would help to identify the interaction with what type of particle caused it. [2][6]

On July 7 of this year, the first results of the LZ operation have been published, which cover an operating period of 60 days, out of the 1000 effective days, that the experiment is intended to operate. The result has been that, out of 335 detected signals, all of them have been identified as background noise, which, in spite of all the means used, cannot be completely avoided. However, this negative result has allowed to establish an energy range in which no unidentified particles that could be considered WIMP have been found, which allows to further refine the energy range in which these particles should be found. [2]

Already for the future, new techniques are planned to make the readings and of the LZ more precise, while planning how to differentiate the neutrinos emitted by the Sun from any other particle whose energy range lies within that of the so-called neutrino fog. [1][2]

The LZ experiment also plans to join forces with its international competitors, XENONnT and DARWIN, in order to plan more ambitious experiments in the future that will lead to more accurate results. [1][2]

Text of @amart29, Barcelona, Venezuela, July 2022


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Referencias / Sources

[1] Rafael Bachiller, Se intensifica la caza a la materia oscura, El Mundo

[2] Francisco R. Villatoro, [El detector de materia oscura LUX-ZEPLIN publica su primer límite de exclusión] https://francis.naukas.com/2022/07/10/el-detector-de-materia-oscura-lux-zeplin-publica-su-primer-limite-de-exclusion/), La Ciencia de la Mula Francis

[3] Sanford Undergound Research Facility, LUX-ZEPLIN, Sanford Undergound Research Facility

[4] Leah Crane, World's most sensitive dark matter detector tested for the first time, New Scientist

[5] Valentina T. Sánchez, Lux-Zeplin: así funciona el detector de materia oscura más sensible del mundo, France 24

[6] Wikipedia, LZ experiment, Wikipedia

[7] Wikipedia,Large Underground Xenon experiment,Wikipedia

[8] Wikipedia, ZEPLIN-III, Wikipedia

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