勒克斯-泽普林实验
| 勒克斯-泽普林实验 （LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment） | |
|---|---|
| 实验 | |
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| 国 |  美国 |
| 州 |  南达科他州 |
| 网站 | The LZ Dark Matter Experiment |
勒克斯-泽普林实验（英语：LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment）下一代暗物质直接探测实验，旨在观察大质量弱相互作用粒子（WIMP）核的散射[1]。它于2012年由大型地下氙气实验和泽普林 III集团的实验组合而成。现时，它是美国、英国、葡萄牙和俄罗斯的30个研究所合作的计划。实验地点位于南达科他州的桑福德地下研究设施（SURF）[2]，由DOE的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）管理。
实验使用了一个由10吨液态氙制成的超灵敏探测器来寻找WIMP核相互作用的讯号。这是三个这样的实验之一，引领了对10 GeV/c2以上WIMP的直接检测，另外两个是XENON暗物质计划实验和粒子和天体物理氙探测器-4T实验。
2015年春季，LZ通过了"关键决策步骤1"或CD-1审查，成为DOE的官方项目[3]。2020年9月21日，美国能源部官员正式签署了LZ项目竣工协定；DOE的项目完成里程碑称为关键决策4或CD-4[4]。
LZ做为低背景探测器
为了最终识别WIMP核散射，LZ必须能够观察到其活性体积中非常小的能量沉积。因此，它还必须能够区分真正的WIMP散射和由已知粒子引起的其他交互作用。那些已知"背景"的例子，包括环境中的痕量放射性产生的伽马射线，中子的交互作用，以及来自宇宙射线在上层大气中产生的μ介子的交互作用。暗物质搜索的两个目标是最大限度地减少这些背景相互作用的数量，以及对于那些确实发生的相互作用，能够识别它们是来自背景，而不是WIMP。
首先，最里面的探测器由一个双相氙气时间投影室（TPC）]]组成[5][6]。该探测器是WIMP核散射的目标。如下一节所述，该探测器可以对氙气中相互作用的位置进行3D重建。这样可以识别和排除探测器周边（侧面、顶部和底部）附近发生的背景交互作用。这些周边的交互作用极有可能来自外部伽马射线或中子，以及组成TPC和低温恒温器的探测器元件中痕量放射性核素的放射性衰变。此外，相对较大的液态氙密度使TPC能够在一定程度上“自我遮罩”：进入TPC的伽马射线（中子）在散射和停止之前只能行进大约几厘米（10厘米）。因此，探测器的最内层体积基本上几乎没有这些背景噪声。因为它非常安静，所以这个最里面的，或“基准”的体积对观察其背景以外的WIMP散射非常敏感，并且是LZ的WIMP搜索的空间。
接下来，TPC位于几层主动和被动遮罩层内，以降低外部伽马射线和中子的速率。TPC安装在内部低温恒温器中，该低温恒温器可保持氙气处于液相（约178K）所需的温度。该内部低温恒温器嵌套在更大的外部低温恒温器中，这有助于抑制热量传递到氙气中。外部低温恒温器的外部是一组装有液体闪烁体的丙烯酸罐。这些闪烁体探测器是装有钋的液态烷基苯（LAB），用于更有效的捕获中子。如果伽马射线或中子在TPC内部散射一次，但随后退出，它也可能在闪烁体探测器中沉积能量。这些能量沉积物伴随着光学光子的发射，可以通过位于丙烯酸罐外部的光敏倍增管（PMT）阵列检测到。通过观察这种与TPC中的散射相吻合的信号，可以排除掉TPC中可能看起来像WIMP散射的背景。这对于中子尤其重要，中子可以穿透比伽马射线更远的距离，并且以与WIMP预期相同的方式散射到氙原子核上，而不是在氙原子周围的电子上。外部探测器PMT阵列位于较大的水箱中。总之，水箱和液体闪烁体还提供了对外部伽马射线和中子的重要被动遮罩，在它们有机会进入TPC之前，大多数都被阻绝了。整个元件位在地下约1.5公里处，位于SURF的戴维斯洞穴中。这个地下位置创造了一个岩石覆盖层，显著降低了宇宙射线μ介子进入TPC的速率相对于地球表面的速率。所有这些不同的策略确保了LZ是一种能够对氙原子核上的暗物质散射进行非常灵敏搜索的探测器。
LZ的内部检测器：双相TPC
LZ中心的探测器是一个圆柱形双相氙气时间投影室（TPC）[5]。它由一个7吨重的液态氙靶和上面的一小块气态氙气区域组成。操作原理如下：当发生WIMP或背景散射时，少量的动能被赋予氙原子核（或原子电子）。这导致氙原子在散射点附近的区域周围弹跳，将其能量转化为快速闪烁光子，释放（电离）电子和产生的热量。许多即时闪烁光子可以通过探测器顶部和底部的光电倍增管（PMT）检测到。电离电子在外部施加的电场中向上漂移，并在到达液体表面时被拉入气体中并在更强的电场中产生电致发光的光。这种电致发光会产生延迟的“S2”信号。外部产生的电场由一组四个高压电极网格产生：底部，阴极，栅极和阳极[7]。
总而言之，S1和S2可以精确地重建氙气在空间中相互作用的位置。由于 S2 非常接近上部 PMT 阵列，因此仅此一项就可以很好地了解 XY 中（即相对于探测器轴）交互作用发生的位置。即时的S1和延迟的S2之间的时差只是出互动交互作用的深度：通过使用氙中电子在给定电场下的漂移速度，可以将漂移时间转换为物理深度或Z的位置。总之，这个XYZ位置允许人们识别一个安静的内部基准体积，用于敏感的WIMP搜索。它还能够区分类似WIMP的单位点交互作用和类似背景的多位点交互作用，例如来自中子或伽马射线的交互作用。
请注意，与其它类型的时间投影室不同，例如MicroBooNE等微中子实验中使用的时间投影室，此处的电离信号是通过S2光完全捕获的：电极不直接测量电流。
LZ的WIMP搜索
2022年7月，LZ合作发布了其对自旋无关的WIMP核子散射横截面的第一个上限，使用了大约60个工作日的数据[8][9]。未来的搜索打算进一步探测WIMP散射点，建议的搜索期为1000天。
参考资料
- ^ Toomey, Emily. New Generation of Dark Matter Experiments Gear Up to Search for Elusive Particle. Smithsonian Magazine. 3 February 2020 [11 April 2021]. （原始内容存档于2022-12-07）.
- ^ LZ Lab Technician (Materials Laboratory Technician) （页面存档备份，存于互联网档案馆） HigherJobEd of "South Dakota School of Mines and Technology"
- ^ Welcome to the LZ dark matter experiment's webpage. [2020-04-02]. （原始内容存档于2021-02-12）.
- ^ A major milestone for an underground dark matter search experiment. [2022-10-03]. （原始内容存档于2022-12-02）.
- ^ 5.0 5.1 The LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment (PDF). [2022-10-04]. （原始内容存档 (PDF)于2022-10-04）.
- ^ LUX-ZEPLIN (LZ) Technical Design Report (PDF). [2022-10-04]. （原始内容存档 (PDF)于2022-10-04）.
- ^ Linehan, R.; Mannino, R. L.; Fan, A.; Ignarra, C. M.; Luitz, S.; Skarpaas, K.; Shutt, T. A.; Akerib, D. S.; Alsum, S. K.; Anderson, T. J.; Araújo, H. M. Design and production of the high voltage electrode grids and electron extraction region for the LZ dual-phase xenon time projection chamber. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2022-05-11, 1031: 165955. ISSN 0168-9002. doi:10.1016/j.nima.2021.165955 （英语）.
- ^ A supersensitive dark matter search found no signs of the substance — yet. [2022-10-04]. （原始内容存档于2022-10-07）.
- ^ World's most sensitive dark matter detector starts collecting data | Imperial News | Imperial College London. Imperial News. [2022-07-07]. （原始内容存档于2022-10-11） （英语）.
外部链接
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