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欢迎来到DarkSide:项目旨在找到暗物质的粒子

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今年秋天,在罗马以东80英里的一个山下的一个实验室里,一个普林斯顿大学主导的国际团队打开了一个新的实验,目的是找到一个构成宇宙四分之一的神秘物质,但从来没有见过。

这个被称为DarkSide-50的实验正在寻找暗物质的粒子。在过去的几十年中,研究人员已经知道,可见物质 - 我们可以看到的东西 - 仅占宇宙的4%,而黑暗能量则占据了约73%。暗物质被认为占剩下的23%,研究人员说,发现它将巩固我们对宇宙形成的理解,并揭示它的最终命运。普林斯顿大学物理学教授,该项目的首席科学家之一彼得·迈耶斯(Peter Meyers)说:“这就像十年前对希格斯玻色子的研究一样。 “我们对寻找什么有个好主意,但是我们不知道究竟在何时何地我们会找到它。”

DarkSide-50研究小组由来自数十位教师,学生和研究人员组成芝加哥大学助理教授Luca Grandi,芝加哥大学副研究员Richard Saldanha和加州大学洛杉矶分校的研究人员韩国友等人,他们分别来自世界各地的机构。他们穿着防护服保持环境清洁,他们正在努力组装暗物质探测器的核心,在顶部和底部安装一个带有光电探测器的充满氩气的罐体,以便发现碰撞中的光线,并用铜线圈来确定碰撞发生。 (摄影:Yury Suvorov,加利福尼亚大学洛杉矶分校)

DarkSide-50合作部署在意大利格兰萨索国家实验室的海绵房内,涉及17家美国机构以及意大利核物理研究所和意大利其他机构,法国,波兰,乌克兰,俄罗斯和中国,如参与组织名单(.pdf)所示。研究小组包括博士后,研究人员以及普林斯顿的几名研究生和本科生。

研究人员在去年夏天组装了探测器,探测器由三个流体充满的室组成,像俄罗斯娃娃一样嵌套在另一个里面。现在,实验已经启动,等待开始。与发现希格斯的大型强子对撞机不同,DarkSide-50不会粉碎任何东西。相反,它被设计用来检测通过它的腔室漂移的暗物质粒子。

寻找WIMPs

暗物质的证据可追溯到20世纪30年代,当时天文学家意识到我们可以看到的物质数量 - 行星,恒星和星系 - 远远不能满足星系的需求特征螺旋形状和聚类模式。

没有这个遗漏的事情,星系早就应该散开了。物质提供了保持星系围绕星系中心旋转的重力。除非我们的万有引力理论是错误的 - 少数物理学家认为这是可能的,否则暗物质必须存在。普林斯顿大学物理学副教授克里斯蒂亚诺·加尔比亚蒂(Cristiano Galbiati)说:“寻找暗物质粒子将有助于确认我们对宇宙的理解。 “而且,不管我们是否找到它,我们都会学到很多关于如何去寻找它的知识。在寻找黑暗物质方面,这是一个令人激动的时刻。“

普林斯顿大学的高级教授马克西姆·奥肯科娃(左)和马萨诸塞州阿默斯特大学的小学生柯尔斯滕·兰德尔准备了用于DarkSide-50探测器。他们穿着防护服来保持环境的清洁。 (加利福尼亚大学洛杉矶分校Yury Suvorov摄)

尽管没有人确切知道暗物质是由什么组成的,DarkSide-50团队和许多其他科学家认为最有可能的候选人是一个如此微弱的粒子,被称为WIMP,这是“弱相互作用的大质量粒子”的简称。

顾名思义,WIMP几乎没有与它们的相互作用 环境。他们只是像幽灵般穿过墙壁。如果你把双手放在一起,你会环绕 - 但绝不会陷入 - 这些空灵中的一些人。

科学家们提出,当一个WIMP进入一个原子核(如空气中发现的氩)时,它可以被检测到。当这种情况发生在一个密集的氩原子室时,被击中的原子就会反弹,并在其尾流中产生一个激发的氩原子轨道。这个轨迹表现为一个短暂的光线,可以被称为光电探测器的设备检测到。

但是这些碰撞是罕见的 - 每年只检测到几个WIMP。由于其他粒子在与氩气碰撞时也会发光,因此DarkSide-50位于Gran Sasso山下一英里(“gran sasso”是意大利语“great stone”)。岩石屏蔽了经常轰击地球的宇宙射线粒子。普林斯顿大学的物理学教授弗兰克·卡拉格(Frank Calaprice)说:“将稀有WIMP事件与背景分离是所有暗物质实验的主要挑战。”他与Meyers和Galbiati领导这个项目。

“DarkSide试图建立一个尽可能接近理想的”无背景探测器“的设备。设计受益于普林斯顿小组开发Borexino太阳中微子实验的方法和二十年经验,他提到Gran Sasso的另一个实验,最终实现了创纪录的低背景和罕见的太阳中微子的探测,这些中微子是早在被发现之前很久就存在的理论化的基本粒子。

普林斯顿和其他机构的科学家和学生们已经在这个僻静的实验室里呆了几个小时,这个实验室只能通过从罗马穿过意大利到该国东海岸的高速公路上的一个六英里长隧道的出口进入。靠近实验室的车辆被一个大型的钢质门和警卫站挡住,促使他们与一个监狱的巢穴进行比较。

这个项目说明了为什么普林斯顿大学作为一个本科学习的特殊地方,高级威尔·泰勒(Will Taylor)说,他在十月份在实验室呆了一个星期的时间,研究从探测器中使用的水中去除微量放射性粒子的系统。泰勒说:“让普林斯顿特别的东西是什么,如果你看到教授的门打开,你可以走进来请求参加一个实验。这是世界上最复杂的实验之一。“

意大利核物理研究所的Augusto Brigatti站在DarkSide-50的球形中间室内(意大利核物理研究所Augusto Brigatti摄) )

准备进行超灵敏测试

DarkSide-50位于Gran Sasso的三个洞穴之一。 WIMP探测器本身大约是一个购物袋的大小,包含10加仑的纯氩,通过将其冷却到零下186摄氏度(零下303华氏度)而被液化。

探测器的活性部分用铁氟龙包裹,可容纳50公斤(约110磅)的活性氩,因此名称为DarkSide-50。在船的顶部和底部是一排光电探测器,用于检测碰撞中的光线。此外,铜线圈通过反冲同胞收集从氩原子剥离的电子 - 这有助于确定探测器内发生碰撞的位置。

充满氩气的容器坐落在一个房间大小的钢球内,悬浮在高跷上,并充满了7,000加仑称为闪烁体的液体。球体坐落在一个三层高的圆柱形容器内,容器中装有250,000加仑的超纯水。

这两个外室将有助于区分WIMPs从宇宙射线μ子和粒子称为中子,这是从用于构造检测器的材料中的微量放射性发射的。研究人员在干净的房间里休息一下。他们从左到右是意大利核物理研究所技术员Augusto Brigatti;普林斯顿二年级生辛西娅斯坦哈特;意大利研究所研究员保罗·萨巴蒂尼(Paul Sabatini) 核物理; Gran Sasso科学研究所的博士生Maria Bossa;和意大利核物理研究所Augusto Brigatti摄影师保罗·隆巴迪(Paulo Lombardi)

与氩气相互作用的WIMP将无处可见,而中子和μ子将与氩气以及闪烁器或水,使科学家能够区分WIMPs和其他粒子。

在夏末完成装配后,研究人员和工程师开始填充检测室,首先用氩气填充内部容器,然后填充球体,然后填充容器。这个过程需要数周。这个项目的物理研究生Shawn Westerdale说,每个坦克都必须检查出来,以确保它在下一个可以填充之前工作。

在整个秋季,小组每天都会见一次,讨论进展情况,一些成员从意大利进行电话会议或视频会议,因为他们进行了最后的设备检查。

系统准备就绪后,该打开了。 “加州SLAC国家加速器实验室的DarkSide-50合作者Maria Elena Monzani说:”第一次打开探测器是物理学家生命中最激动人心的时刻,就像圣诞节的早晨。

当不在地下实验室工作时,研究人员留在Assergi小镇,那里是Gran Sasso实验室的地面设施。

二年级Cynthia Steinhardt在Assergi度过了这个夏天,帮助安装探测器的一部分并建立软件仿真,以确保光电探测器正常工作。在安装过程中,她和其他人一起在100级洁净室工作,设计的目的是从不允许每立方英尺空气中有超过100个0.5微米或更大的颗粒 - 穿着全身服装来保护设备免受少量自然在环境中发生放射性。

Steinhardt说:“能够成为如此重要的一部分是我的荣幸。 “我能够参与实验的每一个方面,从编码到建筑和布线,偶尔还有清洁工作。”

Maria Okounkova老师利用她在本科教育中获得的技能作为物理专业。她说:“我喜欢用数字进行编码和处理,所以我将我的电磁学和粒子物理知识应用到WIMP-氩碰撞的模拟中。 “把我在普林斯顿学到的知识应用到这个项目上是非常有益的。”

其他普林斯顿大学的成员包括机械工程师威廉·桑德斯三世(William Sands III)高级技术专家Allan Nelson;工厂操作技术员克里斯托弗·康登; Borexino物理学总工程师Andrea Ianni和Augusto Goretti;研究生杰森·布罗德斯基,许光勇,曹华杰,巴勃罗·莫斯特罗,郝倩和艾米丽·希尔兹;博士后研究员徐敬科;副研究学者Henning Back;和副研究学者/ Dicke研究员Biagio Rossi和Masayuki Wada。

位于意大利中部格兰萨索国家实验室的DarkSide-50实验正在进行,该实验室位于格兰萨索山下方约1英里的地方,因此岩石可以将探测器与宇宙射线粒子隔离。研究人员在上面所示的Assergi镇,他们正在进行该项目的工作。 (图片由Will Taylor提供,2014级)

放大

研究人员在11月份开始收集碰撞数据,但是他们准备发布任何结果还需要一些时间。 Galbiati说,证明他们已经达到了理想的敏感度水平,即使没有发现WIMPs也是一个重要的发现。

调查人员计划在今年夏天增加敏感度,当时他们用从科罗拉多州的一个矿山提供的氩气换出当前批次的空气中的氩气。地下氩气中含有的天然放射性同位素少150倍,所以使用它可以进一步降低“背景噪音”。 DarkSide-50得到美国国家科学基金会的支持 能源科学办公室和意大利核物理研究所。该项目将运行三到五年,研究人员已经计划扩大DarkSide,这将增加检测WIMP的可能性。较大的检测器将包含三吨液氩,而不是现在使用的50千克。 Meyers说:“食品袋尺寸的探测器就是Chevy Suburban的大小。

在DarkSide-50和现在正在运行或计划的大约三十多个其他探测器之间,许多物理学家认为在未来五到十年内会发现暗物质粒子。然而,可能需要多个实验来确认瞄准。 Gran Sasso的另一个探测器叫做DAMA,自1998年以来一直在报告暗物质粒子,尽管物理界对此持怀疑态度。目前在线维修的大型强子对撞机将在2015年再次开始粉碎质子,并可能产生暗物质粒子。 “Meyer说,”如果DarkSide-50发现暗物质,那么我们将会证实它是由基本粒子组成的,而且它成为了我们可以在实验室中研究的东西。 “由于我们每年只能检测三个颗粒,所以我们不会很快装瓶。但是因为我们知道如何看待这个问题,所以我们可以开始研究它。“

泰勒说:”无论是什么黑暗的东西,它都是一种新鲜事物,现在正在申请研究生院并希望继续在搜索工作。 “这太令人兴奋了。”

物理学教授彼得·迈耶斯(Peter Meyers)和研究生埃米莉·希尔兹(Emily Shields)在1月17日的视频采访中与研究院院长凯瑟琳·赞多拉(Catherine Zandonella)进行了一次视频采访。

 

普林斯顿大学的研究人员正在意大利领导一项名为DarkSide-50的实验,该实验的目的是寻找暗物质,这是一种构成宇宙近四分之一的神秘物质,但从来没有被发现过。以上,一个房间大小的钢铁室里装着一个杂货袋大小的液氩容器,科学家正在用它来观察暗物质和可见物质之间的碰撞。 图片由Peter Meyers提供,物理系

Darkside-50实验由三个腔室组成。一个充满氩气的水箱悬浮在一个充满液体的房间大小的钢球内,悬浮在一个装满超纯水的三层水箱中。研究人员正在寻找内室中暗物质和可见物质的碰撞,外室帮助将暗物质颗粒与其他颗粒区分开来。 图片提供:大萨索国家实验室DarkSide-50

Frank Calaprice。 物理系Theodore H. Lewis III摄影

Cristiano Galbiati。 物理系Theodore H. Lewis III摄影

Peter Meyers。 摄影:西奥多·H·路易斯三世物理系

 

来源:普林斯顿大学

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