Symmetry Magazine
El proyecto SuperCDMS SNOLAB está expandiendo la búsqueda de materia oscura a partículas con propiedades no accesibles para ningún otro experimento.
Andy Freeberg, SLAC National Accelerator Laboratory
Por A joint Fermilab/SLAC publication, para Symmetry Magazine Mayo 7 de 2018
El Departamento de Energía de EE. UU. Ha aprobado la financiación y el inicio de la construcción del experimento SuperCDMS SNOLAB, que comenzará a funcionar a principios de la década de 2020 para buscar partículas hipotéticas de materia oscura llamadas partículas masivas de interacción débil, o WIMP. El experimento será al menos 50 veces más sensible que su predecesor, explorando las propiedades de WIMP que no pueden ser exploradas por otros experimentos y brindando a los investigadores una nueva y poderosa herramienta para comprender uno de los mayores misterios de la física moderna.
SLAC National Accelerator Laboratory está gestionando el proyecto de construcción de la colaboración internacional de SuperCDMS de 111 miembros de 26 instituciones, que se está preparando para realizar investigaciones con el experimento.
"Comprender la materia oscura es uno de los temas de investigación más candentes: en SLAC y en todo el mundo", dice JoAnne Hewett, directora de la Dirección de Física Fundamental de SLAC y directora de investigación del laboratorio. "Estamos entusiasmados de liderar el proyecto y trabajar con nuestros socios para construir este experimento de materia oscura de próxima generación".
Con las aprobaciones del DOE conocidas como Decisiones Criticas 2 y 3, los investigadores ahora pueden construir el experimento. La Oficina de Ciencia del DOE contribuirá con $ 19 millones al esfuerzo, uniendo fuerzas con la National Science Foundation, que aportará $ 12 millones, y la Canada Foundation for Innovation, que aportará $ 3 millones.
"Nuestro experimento será el más sensible del mundo para WIMP relativamente ligeros, en un rango de masa de una fracción de la masa de protones a alrededor de 10 masas de protones", dice Richard Partridge, jefe del grupo SuperCDMS en el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas. , un instituto conjunto de SLAC y la Universidad de Stanford. "Esta sensibilidad incomparable creará oportunidades emocionantes para explorar nuevos territorios en la investigación de la materia oscura".
Una búsqueda ultrafria a 6800 pies bajo tierra
Los científicos saben que la materia visible en el universo representa solo el 15 por ciento de toda la materia. El resto es una sustancia misteriosa llamada materia oscura. Debido a su atracción gravitacional sobre la materia regular, la materia oscura es un factor clave para la evolución del universo, que afecta la formación de galaxias como nuestra Vía Láctea. Por lo tanto, es fundamental para nuestra propia existencia.
Pero los científicos aún no han descubierto de qué está hecha la materia oscura. Creen que podría estar compuesto de partículas de materia oscura, y WIMPs son los principales contendientes. Si estas partículas existen, apenas interactuarían con su entorno y volarían directamente a través de la materia regular. Sin embargo, cada cierto tiempo, podrían colisionar con un átomo de nuestro mundo visible, y los investigadores de la materia oscura están buscando estas interacciones raras.
En el experimento SuperCDMS SNOLAB, la búsqueda se realizará utilizando cristales de silicio y germanio, en los cuales las colisiones provocarían pequeñas vibraciones. Sin embargo, para medir los jalones atómicos, los cristales deben enfriarse a menos de menos 459.6 grados Fahrenheit, una fracción de un grado por encima de la temperatura del cero absoluto. Estas condiciones ultrafrías le dan al experimento su nombre: Criogenic Dark Matter Search, o CDMS. El prefijo "Super" indica una mayor sensibilidad en comparación con las versiones anteriores del experimento.
Las colisiones también producirían pares de electrones y deficiencias de electrones que se mueven a través de los cristales, desencadenando vibraciones atómicas adicionales que amplifican la señal de la colisión de materia oscura. El experimento podrá medir estas "huellas dactilares" dejadas por la materia oscura con sofisticados componentes electrónicos superconductores.
El experimento será ensamblado y operado en el laboratorio canadiense SNOLAB, a 6,800 pies bajo tierra dentro de una mina de níquel cerca de la ciudad de Sudbury. Es el laboratorio subterráneo más profundo de América del Norte. Allí estará protegido de partículas de alta energía llamadas radiación cósmica, que pueden crear señales de fondo no deseadas.
"SNOLAB se complace en dar la bienvenida a la colaboración de SuperCDMS SNOLAB en el laboratorio subterráneo", dice Kerry Loken, gerente del proyecto SNOLAB. "Esperamos una gran asociación y apoyar esta ciencia líder en el mundo".
En los últimos meses, un prototipo de detector se ha probado con éxito en SLAC.
"Estas pruebas fueron una demostración importante de que podemos construir el detector real con una resolución de energía lo suficientemente alta, así como componentes electrónicos del detector con ruido lo suficientemente bajo para lograr nuestros objetivos de investigación", dijo Paul Brink de KIPAC, que supervisa la fabricación del detector en Stanford.
Junto con otras siete instituciones colaboradoras, SLAC proporcionará la pieza central del experimento de cuatro torres detectoras, cada una con seis cristales en forma de discos de hockey sobredimensionados. La primera torre podría enviarse a SNOLAB a fines de 2018.
"Las torres de detectores son la parte del experimento más desafiante desde el punto de vista tecnológico, lo que amplía las fronteras de nuestra comprensión de los dispositivos de baja temperatura y la lectura superconductora", dice Bernard Sadoulet, un colaborador de la Universidad de California, Berkeley.
Una fuerte colaboración para la ciencia extraordinaria
Además de SLAC, otros dos laboratorios nacionales están involucrados en el proyecto. Fermi National Accelerator Laboratory está trabajando en la intrincada infraestructura de blindaje y criogenia del experimento, y Pacific Northwest National Laboratory está ayudando a comprender las señales de fondo en el experimento, un desafío importante para la detección de señales de WIMP débiles.
Varias universidades de EE. UU. Y Canadá también desempeñan papeles clave en el experimento, trabajando en tareas que van desde la fabricación y prueba de detectores hasta el análisis y la simulación de datos. La mayor contribución internacional proviene de Canadá e incluye la infraestructura de investigación en SNOLAB.
"Somos afortunados de tener una red muy unida de socios de colaboración sólidos, lo cual es crucial para nuestro éxito", dijo Blas Cabrera de KIPAC, quien dirigió el proyecto a través del hito de aprobación de CD-2/3. "Lo mismo es cierto para el apoyo excepcional que estamos recibiendo de las agencias de financiación en los Estados Unidos y Canadá".
Dan Bauer de Fermilab, portavoz de la colaboración de SuperCDMS dice: "Juntos ahora estamos listos para construir un experimento que buscará partículas de materia oscura que interactúen con la materia normal en una región completamente nueva".
SuperCDMS SNOLAB será el último de una serie de experimentos de materia oscura cada vez más sensibles. La versión más reciente, ubicada en la Mina Soudan en Minnesota, finalizó sus operaciones en 2015.
"El proyecto incorporó lecciones aprendidas de experimentos CDMS previos para mejorar significativamente la infraestructura experimental y los diseños de detectores para el experimento", dijo Ken Fouts de SLAC, gerente de proyecto de SuperCDMS SNOLAB. "La combinación de mejoras de diseño, la ubicación profunda y el soporte de infraestructura proporcionado por SNOLAB permitirán que el experimento alcance su máximo potencial en la búsqueda de materia oscura de baja masa".
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El proyecto SuperCDMS SNOLAB está expandiendo la búsqueda de materia oscura a partículas con propiedades no accesibles para ningún otro experimento.
Andy Freeberg, SLAC National Accelerator Laboratory
Por A joint Fermilab/SLAC publication, para Symmetry Magazine Mayo 7 de 2018
El Departamento de Energía de EE. UU. Ha aprobado la financiación y el inicio de la construcción del experimento SuperCDMS SNOLAB, que comenzará a funcionar a principios de la década de 2020 para buscar partículas hipotéticas de materia oscura llamadas partículas masivas de interacción débil, o WIMP. El experimento será al menos 50 veces más sensible que su predecesor, explorando las propiedades de WIMP que no pueden ser exploradas por otros experimentos y brindando a los investigadores una nueva y poderosa herramienta para comprender uno de los mayores misterios de la física moderna.
SLAC National Accelerator Laboratory está gestionando el proyecto de construcción de la colaboración internacional de SuperCDMS de 111 miembros de 26 instituciones, que se está preparando para realizar investigaciones con el experimento.
"Comprender la materia oscura es uno de los temas de investigación más candentes: en SLAC y en todo el mundo", dice JoAnne Hewett, directora de la Dirección de Física Fundamental de SLAC y directora de investigación del laboratorio. "Estamos entusiasmados de liderar el proyecto y trabajar con nuestros socios para construir este experimento de materia oscura de próxima generación".
Con las aprobaciones del DOE conocidas como Decisiones Criticas 2 y 3, los investigadores ahora pueden construir el experimento. La Oficina de Ciencia del DOE contribuirá con $ 19 millones al esfuerzo, uniendo fuerzas con la National Science Foundation, que aportará $ 12 millones, y la Canada Foundation for Innovation, que aportará $ 3 millones.
"Nuestro experimento será el más sensible del mundo para WIMP relativamente ligeros, en un rango de masa de una fracción de la masa de protones a alrededor de 10 masas de protones", dice Richard Partridge, jefe del grupo SuperCDMS en el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas. , un instituto conjunto de SLAC y la Universidad de Stanford. "Esta sensibilidad incomparable creará oportunidades emocionantes para explorar nuevos territorios en la investigación de la materia oscura".
Una búsqueda ultrafria a 6800 pies bajo tierra
Los científicos saben que la materia visible en el universo representa solo el 15 por ciento de toda la materia. El resto es una sustancia misteriosa llamada materia oscura. Debido a su atracción gravitacional sobre la materia regular, la materia oscura es un factor clave para la evolución del universo, que afecta la formación de galaxias como nuestra Vía Láctea. Por lo tanto, es fundamental para nuestra propia existencia.
Pero los científicos aún no han descubierto de qué está hecha la materia oscura. Creen que podría estar compuesto de partículas de materia oscura, y WIMPs son los principales contendientes. Si estas partículas existen, apenas interactuarían con su entorno y volarían directamente a través de la materia regular. Sin embargo, cada cierto tiempo, podrían colisionar con un átomo de nuestro mundo visible, y los investigadores de la materia oscura están buscando estas interacciones raras.
En el experimento SuperCDMS SNOLAB, la búsqueda se realizará utilizando cristales de silicio y germanio, en los cuales las colisiones provocarían pequeñas vibraciones. Sin embargo, para medir los jalones atómicos, los cristales deben enfriarse a menos de menos 459.6 grados Fahrenheit, una fracción de un grado por encima de la temperatura del cero absoluto. Estas condiciones ultrafrías le dan al experimento su nombre: Criogenic Dark Matter Search, o CDMS. El prefijo "Super" indica una mayor sensibilidad en comparación con las versiones anteriores del experimento.
Las colisiones también producirían pares de electrones y deficiencias de electrones que se mueven a través de los cristales, desencadenando vibraciones atómicas adicionales que amplifican la señal de la colisión de materia oscura. El experimento podrá medir estas "huellas dactilares" dejadas por la materia oscura con sofisticados componentes electrónicos superconductores.
El experimento será ensamblado y operado en el laboratorio canadiense SNOLAB, a 6,800 pies bajo tierra dentro de una mina de níquel cerca de la ciudad de Sudbury. Es el laboratorio subterráneo más profundo de América del Norte. Allí estará protegido de partículas de alta energía llamadas radiación cósmica, que pueden crear señales de fondo no deseadas.
"SNOLAB se complace en dar la bienvenida a la colaboración de SuperCDMS SNOLAB en el laboratorio subterráneo", dice Kerry Loken, gerente del proyecto SNOLAB. "Esperamos una gran asociación y apoyar esta ciencia líder en el mundo".
En los últimos meses, un prototipo de detector se ha probado con éxito en SLAC.
"Estas pruebas fueron una demostración importante de que podemos construir el detector real con una resolución de energía lo suficientemente alta, así como componentes electrónicos del detector con ruido lo suficientemente bajo para lograr nuestros objetivos de investigación", dijo Paul Brink de KIPAC, que supervisa la fabricación del detector en Stanford.
Junto con otras siete instituciones colaboradoras, SLAC proporcionará la pieza central del experimento de cuatro torres detectoras, cada una con seis cristales en forma de discos de hockey sobredimensionados. La primera torre podría enviarse a SNOLAB a fines de 2018.
"Las torres de detectores son la parte del experimento más desafiante desde el punto de vista tecnológico, lo que amplía las fronteras de nuestra comprensión de los dispositivos de baja temperatura y la lectura superconductora", dice Bernard Sadoulet, un colaborador de la Universidad de California, Berkeley.
Una fuerte colaboración para la ciencia extraordinaria
Además de SLAC, otros dos laboratorios nacionales están involucrados en el proyecto. Fermi National Accelerator Laboratory está trabajando en la intrincada infraestructura de blindaje y criogenia del experimento, y Pacific Northwest National Laboratory está ayudando a comprender las señales de fondo en el experimento, un desafío importante para la detección de señales de WIMP débiles.
Varias universidades de EE. UU. Y Canadá también desempeñan papeles clave en el experimento, trabajando en tareas que van desde la fabricación y prueba de detectores hasta el análisis y la simulación de datos. La mayor contribución internacional proviene de Canadá e incluye la infraestructura de investigación en SNOLAB.
"Somos afortunados de tener una red muy unida de socios de colaboración sólidos, lo cual es crucial para nuestro éxito", dijo Blas Cabrera de KIPAC, quien dirigió el proyecto a través del hito de aprobación de CD-2/3. "Lo mismo es cierto para el apoyo excepcional que estamos recibiendo de las agencias de financiación en los Estados Unidos y Canadá".
Dan Bauer de Fermilab, portavoz de la colaboración de SuperCDMS dice: "Juntos ahora estamos listos para construir un experimento que buscará partículas de materia oscura que interactúen con la materia normal en una región completamente nueva".
SuperCDMS SNOLAB será el último de una serie de experimentos de materia oscura cada vez más sensibles. La versión más reciente, ubicada en la Mina Soudan en Minnesota, finalizó sus operaciones en 2015.
"El proyecto incorporó lecciones aprendidas de experimentos CDMS previos para mejorar significativamente la infraestructura experimental y los diseños de detectores para el experimento", dijo Ken Fouts de SLAC, gerente de proyecto de SuperCDMS SNOLAB. "La combinación de mejoras de diseño, la ubicación profunda y el soporte de infraestructura proporcionado por SNOLAB permitirán que el experimento alcance su máximo potencial en la búsqueda de materia oscura de baja masa".
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