A LUX fénysokszorozó csövei hatszögletű mintázatban vannak elrendezve a részecskedetektor belsejében. Fotó: Matt Kapust, a Sanford Underground Research Facility munkatársa
A dél-dakotai Black Hillsben, egy mérföldnyire a föld alatt ez a méhsejtszerű szerkezet fontos szerepet játszik a sötét anyag utáni vadászatban.
Minden körben van egy fotosokszorozó cső vagy PMT, amely egy vákuumcső, amely képes az alacsony fényszint észlelésére. Ebben az esetben a PMT-ket részecskedetektorban használják a folyékony xenon és a „gyengén kölcsönhatásban lévő tömeges részecske” vagy WIMP nevű sötét anyag közötti kölcsönhatások észlelésére – mondja Rick Gaitskell, a Brown Egyetem fizikaprofesszora, aki jelenleg feketén dolgozik. Dombok a Nagy földalatti xenon (LUX) kísérlet , több mint 100 tudós együttműködése a sötét anyag kimutatására. (Nézze meg az alábbi videót a LUX-ról bővebben.)
A WIMP-k a sötét anyag egyik legnépszerűbb jelöltjei. Elméletileg gravitációs kölcsönhatásba lépnek egymással és más anyagokkal. De kölcsönhatásba léphetnek az úgynevezett gyenge erőn keresztül is, egy vonzó erőn keresztül, amely ugyan még mindig gyenge, de a szubatomi szinten nagyon rövid tartományokban erősebb a gravitációnál. Ezt a fajta interakciót keresi a LUX kísérlet a detektorában.
Az ötlet az, hogy ha egy csomó részecske kölcsönhatásba lép a xenonnal a gyenge erő hatására, akkor ezeknek a részecskéknek a tömege meghatározható egy sor számítással az egyes kölcsönhatások során felszabaduló energia alapján. És miután a kutatók ismerik egy részecske tömegét, meg tudják határozni annak azonosságát. Ebben az esetben a LUX kutatói kifejezetten azokat a részecskéket keresik, amelyek megfelelnek az általuk sötét anyagnak számított tömegnek.
A LUX detektor – amelyet idővetítő kamrának is neveznek – több mint 700 font folyékony xenont tárol. A cseppfolyósított nemesgáz szcintillátor, tehát amikor egy részecske kölcsönhatásba lép egy xenon részecskével, fény keletkezik. A PMT-k (122 van belőlük a detektor tetején és alján, rézrögzítő tömbökbe rögzítve) annyira érzékenyek, hogy egyetlen fotont is képesek felvenni.
A LUX-ban használt fénysokszorozó cső elülső vége. A csőben látható fekete négyzet az, ahol a fotonok elektronokká alakulnak, amelyek aztán megsokszorozódnak. A háttérben a réz szerelési tömb található, amelyben a PMT-k vannak elrendezve a LUX detektorában. Fotó: Carlos FahamA fénysokszorozó csövek „kicsit úgy működnek, mint egy hátrafelé működő televízió” – magyarázza Gaitskell. A televíziók esetében a régimódi katódsugárcsövek fogadják az elektronikus jeleket, és elektronfolyammá alakítják át. Az elektronok eltalálnák a televízió előlapját, és fényt bocsátanának ki, mondja.
Ezzel szemben a PMT-k elülső felületén fotokatód anyag található, amely összegyűjti a fényt, és ezeket a fotonokat elektronokká alakítja, amelyek eltalálják a cső belsejében lévő dinódákat, szaporodnak őket.
A fénysokszorozó cső „lehetővé teszi, hogy az eredetileg egyetlen elektront egy több mint egymillió elektronból álló kaszkádlá erősítse fel” – mondja Gaitskell. Ezek az elektronok „kis feszültségimpulzussá” válnak, bár elég nagy ahhoz, hogy a LUX kutatói adatként olvassák le számítógépükön. Ezekben az adatokban olyan aláírást keresnek, amely megfelel a szerintük egy WIMP tömegének.
A tudósok még mindig küzdenek annak megértésével, hogy a sötét anyag részecskéi milyen gyakran lépnek kölcsönhatásba a folyékony xenonnal. Kezdetben úgy becsülték, hogy egy kilogramm xenon naponta több száz interakciót váltana ki a WIMP-kkel. Hamar rájöttek, hogy a számítás inkább 100 évente egy interakció.
A sötét anyag „olyan energialéptékben foglalja magában a részecskefizikát, amely eléri vagy meghaladja az eddig elért eredményeket” – mondja Gaitskell. „És ennek következtében még mindig nem vagyunk egészen biztosak abban, hogy ennek a fizikanak, ezeknek a részecskéknek [azaz WIMP-knek és xenonmagoknak vagy atomoknak] mik az erősségei.”
Amikor a LUX kutatói 2013-ban három hónapig működtették a detektort, közel 100 millió interakciót vagy eseményt rögzítettek. Mindössze 160-ra szűkítették azokat, amelyek a sötét anyagra vonatkozó számításaiknak tűntek. „De a legfontosabb, hogy ezek az események egyike sem felelt meg a sötét anyagra vonatkozó egyik tesztünknek sem” – mondja Gaitskell.
Már csaknem egy éve működtetik a LUX-ot, és abban reménykednek, hogy 300 napnyi interakciót tudnak elérni, mielőtt 2016 közepén leállítják az adatok elemzésére.
„Ha látunk valamit, akkor csak kevés eseményt látunk” – mondja Gaitskell. 'Ha nem látunk semmit, akkor egy nagyobb detektort kell építenünk.' A következő detektor, a LUX ZEPLIN (LZ), 20-szorosára növeli a LUX kísérletet – ez több mint nyolc tonna folyékony xenont, valamint nagyobb és érzékenyebb PMT-ket jelent.