Het nieuwe donkere-materielaboratorium van China is het grootste en diepste tot nu toe

By | January 23, 2024

Het diepste en grootste ondergrondse laboratorium ter wereld is zojuist geopend, ongeveer 2.400 meter onder het Jinping-gebergte in het zuidwesten van China. De uitgestrekte ruimte is de thuisbasis van wetenschappers die op zoek zijn naar donkere materie – de hypothetische substantie waarvan men denkt dat deze meer dan 80% van de massa in het universum uitmaakt.

Het China Jinping Underground Laboratory (CJPL) werd in 2010 geopend en na drie jaar bouwen werd de tweede fase, CJPL-II, in december 2023 operationeel. Met een enorme capaciteit van 330.000 kubieke meter overtreft het nu het Gran Sasso National Laboratory (LNGS) in L’aquila, Italië, de vorige recordhouder voor diepte en volume.

De extra ruimte maakte de upgrade mogelijk van experimenten zoals de Particle and Astrophysical Xenon Experiments (PandaX) en het China Dark Matter Experiment (CDEX). “Het is verbazingwekkend wat ze in tien jaar hebben bereikt”, zegt Juan Collar, natuurkundige aan de Universiteit van Chicago in Illinois.

Donkere materie blijft een wetenschappelijk mysterie. Natuurkundigen hebben berekend dat de zwaartekracht die wordt gegenereerd door zichtbare materie te zwak is om te voorkomen dat snel bewegende sterrenstelsels uit elkaar vliegen. Ze vermoedden dus dat donkere materie de onzichtbare lijm was die het universum bij elkaar hield. Hoewel donkere materie overal zou moeten zijn, is het moeilijk gebleken om deze rechtstreeks waar te nemen, omdat wordt aangenomen dat deze nauwelijks interageert met gewone materie en geen licht uitzendt, reflecteert of absorbeert. Beweringen dat ze donkere materie hebben ontdekt, worden vertroebeld door suggesties dat de experimenten mogelijk zijn gecorrumpeerd door andere signalen.

Wetenschappelijke glorie wacht degenen die als eersten donkere materie ontdekken, en deze voortdurende zoektocht is een van de grootste inspanningen in de deeltjesfysica, zegt Henry Tsz-King Wong, een natuurkundige aan de Academia Sinica in Nangang, Taiwan, die aan CDEX werkt.

Licht onder de berg

De beste plaats om naar donkere materie te zoeken is ondergronds, omdat de gesteentelagen de detectoren beschermen tegen achtergrondgeluiden zoals kosmische straling (hoogenergetische deeltjes die vanuit de ruimte naar de aarde regenen) die potentiële signalen van donkere materie kunnen overstemmen, zegt Marco Selvi. natuurkundige aan het Nationaal Instituut voor Kernfysica in Bologna. Proberen om donkere materie op het aardoppervlak te detecteren is “als het proberen de zachte stem van een kind te horen in een stadion waar iedereen schreeuwt”, zegt hij.

Ondergronds wordt CJPL-II blootgesteld aan kosmische straling op niveaus die overeenkomen met 0,000001% van het aardoppervlak, waardoor het een van de meest afgeschermde ondergrondse laboratoria ter wereld is. De muren zijn ook bedekt met een 10 centimeter dik beschermend schild gemaakt van een mix van rubber, beton en andere materialen dat water en radioactief radongas blokkeert dat uit het omringende gesteente kan binnensijpelen en experimenten om donkere materie te detecteren kan verstoren.

De onderzoeksteams van de faciliteit maken al gebruik van de extra ruimte. Terwijl de CJPL-II werd gebouwd, heeft het PandaX-team zijn detector geüpgraded van een capaciteit van 120 kilogram vloeibaar xenon naar 4 ton. Wanneer een potentieel deeltje van donkere materie botst met een xenonatoom, moet zijn energie worden omgezet in lichtflitsen die door fotosensoren kunnen worden gedetecteerd.

De detector is vergelijkbaar met het LNGS XENONnT-experiment (8,6 ton) en het LUX-ZEPLIN-experiment (7 ton) in de Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota.

De PandaX-4T-detector is ondergebracht in een watertank van 900 kubieke meter om hem verder te beschermen tegen verdwaalde deeltjes, zegt teamlid Ning Zhao, een natuurkundige aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit in China. “Met een betere gevoeligheid kunnen we met de detector experimenteren en de verschillende soorten interacties testen”, zegt hij. Het uiteindelijke doel van het team is om een ​​xenondetector te bouwen met een capaciteit van 40-50 ton, die zou concurreren met het Europese DARWIN-experiment, dat mikt op 40 ton, zegt Zhao.

Ondertussen heeft het CDEX-team ook een germaniumdetector ingezet die zich richt op potentiële donkere materiedeeltjes met een nog lagere massa dan die waarnaar wordt gezocht in xenon-experimenten, zegt CDEX-teamlid Qian Yue, een natuurkundige aan de Tsinghua-universiteit in Peking. De CDEX-detector is geüpgraded van een capaciteit van 1 kilogram naar 10 kilogram germanium, met plannen om een ​​detectorarray te bouwen met een capaciteit van één ton. Als een deeltje van donkere materie deze detector raakt, zou de interactie ladingen moeten produceren die in elektrische signalen worden omgezet. Yue hoopt meer internationale medewerkers uit te nodigen om deel te nemen aan CDEX – waar al onderzoekers uit India en Turkije deel van uitmaken.

Hoewel de zoektocht naar donkere materie wereldwijd competitief is, kunnen onderzoekers door het uitvoeren van vergelijkbare experimenten in meerdere ondergrondse laboratoria over de hele wereld hun resultaten vergelijken, zegt Selvi. In 2022 gebruikte het PandaX-team een ​​soortgelijke aanpak om de resultaten van het XENON-experiment van LNGS te bevestigen, waaruit bleek dat een verrassend signaal dat in 2020 door XENON werd gedetecteerd, afkomstig was van achtergrondgeluid en niet van donkere materie.

Collar is echter van mening dat onderzoek naar donkere materie baat zou hebben bij nieuwe benaderingen en ideeën, in plaats van de concurrentie te verslaan met grotere, gevoeligere versies van dezelfde detectoren. “Er is al genoeg replicatie”, zegt hij.

De komende tien jaar zullen CJPL-II-teams de gevoeligheid van hun detectoren blijven verbeteren, zegt Zhou. Hij hoopt ook dat de wereldwijde onderzoeksgemeenschap op het gebied van donkere materie CJPL-II-datasets zal delen en combineren met hun eigen datasets. “We hebben nog veel te doen”, zegt hij.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *