تجربة زينون كبيرة تحت الأرض

هدفت تجربة الزينون الكبيرة تحت الأرض ( LUX ) إلى الكشف المباشر عن تفاعلات المادة المظلمة ذات الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) مع المادة العادية على الأرض. على الرغم من وفرة الأدلة (الجاذبية) التي تدعم وجود المادة المظلمة غير الباريونية في الكون، ^{[ 1 ]} لم يتم الكشف عن جسيمات المادة المظلمة في مجرتنا بشكل مباشر في أي تجربة. استخدمت تجربة LUX كتلة كشف من الزينون السائل تزن 370 كجم في غرفة إسقاط زمني (TPC) لتحديد تفاعلات الجسيمات الفردية، باحثةً عن تفاعلات المادة المظلمة الخافتة بحساسية غير مسبوقة. ^{[ 2 ]} 

تم إنشاء تجربة LUX، التي بلغت تكلفتها حوالي 10 ملايين دولار أمريكي، ^{[ 3 ]} على عمق 1510 أمتار (4950 قدمًا) تحت الأرض في مختبر سانفورد تحت الأرض (SURF، المعروف سابقًا باسم مختبر العلوم والهندسة تحت الأرض العميق، أو DUSEL) في منجم هومستيك (داكوتا الجنوبية) في مدينة ليد، داكوتا الجنوبية . وُضع الكاشف في حرم ديفيس الجامعي، الموقع السابق لتجربة هومستيك للنيوترينو الحائزة على جائزة نوبل بقيادة ريموند ديفيس . تم تشغيله تحت الأرض لتقليل إشارة الضوضاء الخلفية الناتجة عن الأشعة الكونية عالية الطاقة على سطح الأرض.  

تم إيقاف تشغيل الكاشف في عام 2016 وهو معروض الآن في مركز زوار مختبر سانفورد هومستيك . ^{[ 4 ]}

تم عزل الكاشف عن الجسيمات الخلفية بواسطة خزان مياه محيط به والأرض فوقه. وقد قلل هذا التدريع من الأشعة الكونية والإشعاع المتفاعل مع الزينون.

تُنتج التفاعلات في الزينون السائل فوتونات  فوق بنفسجية بطول موجي 175 نانومتر وإلكترونات. تم رصد هذه الفوتونات فورًا بواسطة مصفوفتين من 61 أنبوبًا مضاعفًا ضوئيًا في أعلى وأسفل الكاشف. مثّلت هذه الفوتونات الفورية إشارة S1. انجرفت الإلكترونات الناتجة عن تفاعلات الجسيمات صعودًا نحو غاز الزينون بفعل مجال كهربائي. ثم انجذبت الإلكترونات إلى الغاز عند السطح بفعل مجال كهربائي أقوى، وأنتجت فوتونات التألق الكهربائي التي تم رصدها كإشارة S2. شكّلت إشارة S1 وإشارة S2 اللاحقة تفاعلًا جسيميًا في الزينون السائل.

كان الكاشف عبارة عن غرفة إسقاط زمني (TPC)، حيث استُخدم الفاصل الزمني بين إشارتي S1 وS2 لتحديد عمق التفاعل، نظرًا لأن الإلكترونات تتحرك بسرعة ثابتة في الزينون السائل (حوالي 1-2  كم/ث، اعتمادًا على المجال الكهربائي). وتم استنتاج إحداثيات xy للحدث من فوتونات التألق الكهربائي عند المصفوفة العلوية باستخدام أساليب إحصائية ( مونت كارلو وتقدير الاحتمال الأقصى ) بدقة تقل عن 1  سم. ^{[ 5 ]}

من المتوقع أن تتفاعل الجسيمات المتفاعلة ضعيفة التفاعل (WIMPs) حصريًا مع نوى الزينون السائل، مما ينتج عنه ارتدادات نووية تبدو مشابهة جدًا لتصادمات النيوترونات. ولعزل تفاعلات WIMPs، يجب تقليل أحداث النيوترونات إلى أدنى حد ممكن، وذلك من خلال استخدام التدريع ومواد بناء فائقة الهدوء.

لتمييز الجسيمات المتفاعلة ضعيفة التفاعل (WIMPs) عن النيوترونات، يجب مقارنة عدد التفاعلات الفردية بعدد التفاعلات المتعددة. ونظرًا لأن تفاعلات WIMPs ضعيفة للغاية، فإن معظمها سيمر عبر الكاشف دون أن يُرصد. أما أي تفاعل من هذه الجسيمات فسيكون احتمال تكراره ضئيلاً للغاية. في المقابل، تتمتع النيوترونات باحتمال كبير نسبيًا لحدوث تصادمات متعددة داخل حجم الهدف، ويمكن التنبؤ بدقة بتردد هذه التصادمات. وبناءً على هذه المعلومات، إذا تجاوزت نسبة التفاعلات الفردية إلى التفاعلات المتعددة قيمة معينة، يُمكن الاستدلال بشكل موثوق على وجود المادة المظلمة.

تألف فريق LUX التعاوني من أكثر من 100 عالم ومهندس من 27 مؤسسة في الولايات المتحدة وأوروبا. وشمل الفريق غالبية المجموعات الأمريكية التي تعاونت في تجربة XENON10 ، ومعظم المجموعات في تجربة ZEPLIN III ، وغالبية المشاركين الأمريكيين في تجربة ZEPLIN II، بالإضافة إلى مجموعات شاركت في عمليات البحث عن الأحداث النادرة ذات الخلفية المنخفضة، مثل Super Kamiokande و SNO و IceCube و Kamland و EXO و Double Chooz .

كان المتحدثان الرسميان المشاركان في تجربة LUX هما ريتشارد غايتسكيل من جامعة براون (الذي شغل منصب المتحدث الرسمي المشارك منذ عام 2007) ودانيال ماكينزي من جامعة كاليفورنيا، بيركلي (الذي شغل منصب المتحدث الرسمي المشارك منذ عام 2012). كما شغل توم شوت من جامعة كيس ويسترن ريزيرف منصب المتحدث الرسمي المشارك في تجربة LUX بين عامي 2007 و2012.

بدأ تجميع الكاشف في أواخر عام 2009. تم تشغيل كاشف LUX فوق الأرض في SURF لمدة ستة أشهر. نُقل الكاشف المُجمّع تحت الأرض من المختبر السطحي في عملية استغرقت يومين في صيف عام 2012، وبدأ جمع البيانات في أبريل 2013، وعُرضت النتائج الأولية في خريف عام 2013. تم إيقاف تشغيله في عام 2016. ^{[ 4 ]}

تمت الموافقة على تجربة المتابعة من الجيل التالي، وهي LUX-ZEPLIN التي تزن 7 أطنان، ^{[ 6 ]} ومن المتوقع أن تبدأ في عام 2020. ^{[ 7 ]}

أُعلن عن البيانات الأولية غير المُعمّاة، التي جُمعت بين أبريل وأغسطس 2013، في 30 أكتوبر 2013. خلال تشغيل تجريبي استمر 85 يومًا بحجم  مرجعي قدره 118 كجم، رصدت تجربة LUX 160 حدثًا استوفت معايير اختيار تحليل البيانات، وجميعها تتوافق مع خلفيات ارتداد الإلكترونات. يُظهر نهج إحصائي لاحتمالية الملف الشخصي أن هذه النتيجة تتوافق مع فرضية الخلفية فقط (عدم وجود تفاعلات جسيمات WIMP) بقيمة احتمالية ( p-value ) تبلغ 0.35. كانت هذه النتيجة الأكثر حساسية في العالم للكشف المباشر عن المادة المظلمة، واستبعدت إشارات جسيمات WIMP منخفضة الكتلة، مثل تلك التي رصدتها تجربتا CoGeNT و CDMS-II . ^{[ 8 ] [ 9 ]} أدت هذه النتائج إلى دحض بعض النظريات المتعلقة بجسيمات WIMP، مما سمح للباحثين بالتركيز على عدد أقل من المؤشرات. ^{[ 10 ]}

في التشغيل النهائي من أكتوبر 2014 إلى مايو 2016، وبحساسية تفوق أربعة أضعاف حساسيته التصميمية الأصلية باستخدام 368  كجم من الزينون السائل، لم يرصد جهاز LUX أي مؤشرات على وجود جسيمات المادة المظلمة المرشحة - جسيمات WIMP. ^{[ 7 ]} ووفقًا لإيثان سيجل ، فقد قدمت نتائج LUX و XENON1T أدلة قوية ضد نظرية "معجزة WIMP" الفائقة التناظر ، كافية لتحفيز المنظرين على تبني نماذج بديلة للمادة المظلمة. ^{[ 11 ]}

• صفحة ويب LUX Dark Matter مؤرشفة بتاريخ 15 يناير 2021 على موقع Wayback Machine
• مقال جامعة براون

44°21′07″ شمالاً 103°45′04″ غرباً / 44.352° شمالاً 103.751° غرباً / 44.352; -103.751