The PICO-40L detector

Al decennia lang weten astronomen dat het universum gevuld is met iets onzichtbaars. We kunnen het niet zien en het straalt niet, maar de zwaartekracht ervan houdt sterrenstelsels bij elkaar en vormt het kosmos. Deze onzichtbare substantie wordt donkere materie genoemd. Hoewel we weten dat het bestaat, weten we niet waar het uit bestaat. Eén leidende theorie suggere houdt in dat het bestaat uit massieveeltjes die zelden interageren met normale materie, bekend als Weakly Interacting Massive Particles, of WIMP's. Als deze deeltjes bestaan, zouden ze af en toe tegen de kernen van atomen in een detector op aarde botsen, wat een klein flitsje energie veroorzaakt. De uitdaging is dat deze botsingen ongelooflijk zeldzaam zijn en signalen produceren die zo zwak zijn dat ze gemakkelijk worden overstemd door natuurlijke achtergrondruis, zoals straling van rotsen of kosmische stralen. Om ze te vinden, moeten wetenschappers detectoren diep onder de grond bouwen, afgeschermd door kilometers gesteente, en materialen gebruiken die zo puur zijn dat ze zelf geen straling uitzenden.

Een team van onderzoekers, bekend als de PICO Collaboration, heeft een nieuwe detector gebouwd om deze ongrijpbare deeltjes op te sporen, en zij hebben een gedetailleerd rapport gepubliceerd over de ontwerp en de vroege prestaties ervan. De detector, genaamd PICO-40L, is een grote bubbelkamer gelegen twee kilometer onder de grond in een mijn in Sudbury, Canada. In tegenstelling tot traditionele detectoren die gebruikmaken van vaste kristallen of vloeistofreservoirs, gebruikt deze machine een speciale vloeistof genaamd octafluoropropaan, die in een staat wordt gehouden waarin het klaar is om te koken maar wordt tegengehouden door druk. Wanneer een deeltje een atoom in deze vloeistof raakt, brengt het een kleine hoeveelheid energie over, waardoor er onmiddellijk een kleine bubbel ontstaat. De machine is ontworpen om zo gevoelig te zijn dat hij de kleine energieoverdracht van een botsing met donkere materie kan detecteren, terwijl hij de veel grotere energieoverdrachten van andere soorten straling die geen bellen creëren, negeert.

De PICO-40L detector vertegenwoordigt een significante evolutie in de manier waarop deze bubbelkamers worden gebouwd. Eerdere versies van het experiment gebruikten een ontwerp waarbij de doelvloeistof bovenop een bufferfluïdum zat, gescheiden door één enkel vat. Deze oudere opstelling creëerde een grens tussen twee verschillende vloeistoffen, wat soms valse signalen kon genereren. De nieuwe PICO-40L gebruikt een compleet andere arrangement, die het team de "Right-Side-Up" (rechtopstaande) design noemt. In deze configuratie wordt de doelvloeistof vastgehouden in een dubbelwandig glazen vat dat zich onderaan de kamer bevindt, met het druksysteem gelokaliseerd onder het vat in plaats van erbovenop. Deze verandering verwijdert de interface tussen twee vloeistoffen en verplaatst de mechanische onderdelen die ruis kunnen veroorzaken naar een koudere, inactieve zone. Het resultaat is een schonere omgeving waar de detector minder snel wordt misleid door achtergrondruis.

Om de detector correct te laten werken, moest het team een moeilijk thermisch probleem oplossen. De vloeistof in de kamer moet tegelijkertijd op twee verschillende temperaturen worden gehouden. Het hoofdvolume waar de zoektocht naar donkere materie plaatsvindt, moet warm genoeg worden gehouden om klaar te zijn om bellen te vormen, doorgaans rond de dertien graden Celsius. Echter, het onderste deel van het vat, waar de leidingen en mechanische afdichtingen zich bevinden, moet veel kouder worden gehouden, rond de min tweeentwintig graden Celsius. Als de onderkant te warm wordt, zou de vloeistof daar uit zichzelf kunnen gaan koken, wat bellen creëert die lijken op signalen van donkere materie, maar eigenlijk gewoon thermische ruis zijn. De onderzoekers bouwden een complex systeem van koelspiralen en verwarmingsplaten om deze twee verschillende temperatuurzones te handhaven, waardoor wordt gewaarborgd dat er alleen bellen ontstaan in het actieve gebied waar de camera's ze kunnen zien.

De detector is uitgerust met een geavanceerd systeem om op de bellen te letten. Vier hogesnelheidscamera's zijn rond de kamer gemonteerd en maken vanuit verschillende hoeken foto's van de vloeistof. Wanneer een bubbel ontstaat, leggen de camera's de groei ervan vast, waardoor wetenschappers precies kunnen berekenen waar het gebeurde en hoe groot het werd. Naast de camera's gebruikt de machine twaalf kleine microfoons, bekend als piëzo-elektrische transducers, die tegen de buitenkant van het glazen vat zijn gedrukt. Deze microfoons luisteren naar het geluid van de vorming van de bubbel. Verschillende soorten deeltjes creëren verschillende akoestische handtekeningen; bijvoorbeeld, alfadeeltjes, die een veelvoorkomstige bron van achtergrondruis zijn, maken een ander geluid dan de stille 'pop' van een kandidaat voor donkere materie. Door de visuele gegevens van de camera's te combineren met de geluidsgegevens van de microfoons, kan het team het verschil bepalen tussen een echt signaal en een vals alarm.

De onderzoekers testten de detector met twee hoofdruns. Eerst voerden ze een kalibratietest uit met een neutronenbron om de soort botsingen te simuleren die ze hopen te vinden. Later voerden ze een lange inbeddingsperiode uit zonder externe bron, simpelweg wachtend om te zien wat er natuurlijk zou gebeuren. Tijdens deze tests werkte de detector stabiel en slaagde hij erin om onderscheid te maken tussen enkelvoudige bellen in de vloeistof en ongewenste gebeurtenissen zoals bellen die aan de wanden van het vat ontstaan of meerdere bellen die tegelijkertijd ontstaan. Het team stelde vast dat het nieuwe ontwerp effectief de achtergrondruis onderdrukte die eerdere versies had geplaagd. Ze berekenden dat de detector zeer weinig valse signalen zou zien van natuurlijke radioactiviteit of kosmische stralen, waarbij de belangrijkste resterende achtergrond wordt verwacht te komen van een zeldzame interactie waarbij neutrino's betrokken zijn, een subatomair deeltje dat bijna onmogelijk af te schermen is.

Hoewel de detector nog geen donkere materie-deeltje heeft gevonden, bevestigt het artikel dat het nieuwe ontwerp naar behoren werkt. De PICO-40L heeft succesvol aangetoond dat de Right-Side-Up geometrie betrouwbaar kan functioneren, waarbij de doelvloeistof in het centrum oververhit wordt gehouden terwijl de leidingen koud en stil blijven. Dit succes plaveit de weg voor de volgende generatie van het experiment, een veel grotere detector genaamd PICO-500, die momenteel in aanbouw is. Door te bewijzen dat dit nieuwe ontwerp de vereiste extreme gevoeligheid voor de jacht op donkere materie kan hanteren, heeft de PICO Collaboration een belangrijke horde genomen in de zoektocht naar de onzichtbare substantie die het grootste deel van de materie in ons universum vormt.