First demonstration of long-distance electron drift in liquid xenon with the Xenoscope time projection chamber

Diep onder het oppervlak van de aarde, in de stille duisternis waar licht niet kan komen, zoeken natuurkundigen naar de onzichtbare materie die het grootste deel van het universum vormt. Ze noemen dit donkere materie, en om het te vinden, hebben ze detectoren nodig die zowel ongelooflijk groot als uiterst gevoelig zijn. Een van de meest veelbelovende instrumenten voor deze taak is een tank gevuld met vloeibaar xenon, een zwaar, edel gas dat is afgekoeld totdat het een vloeistof wordt. Wanneer een deeltje uit de ruimte of de donkere materie zelf tegen een atoom in deze vloeistof botst, creëert het een klein flitsje licht en slaat het enkele elektronen los. Deze elektronen zijn de sleutel. Als wetenschappers deze kunnen opvangen en kunnen meten hoe lang ze erover doen om door de vloeistof te reizen, kunnen ze precies bepalen waar de botsing heeft plaatsgevonden. Maar voor de volgende generatie van deze enorme detectoren, die tientallen tonnen vloeibaar xenon zullen bevatten, moeten de elektronen veel verder reizen dan ooit tevoren. De grote vraag is of ze een reis van meerdere meters kunnen overleven zonder verloren te gaan of geabsorbeerd te worden door onzuiverheden in de vloeistof.

Aan de Universiteit van Zürich bouwde een team onderzoekers een speciaal apparaat genaamd Xenoscope om deze vraag te beantwoorden. Het is een hoge, verticale cilinder gevuld met vloeibaar xenon, 2,6 meter hoog. Deze hoogte is significant omdat het overeenkomt met de schaal van de toekomstige, gigantische detectoren die voor het komende decennium gepland zijn. De onderzoekers wilden zien of elektronen de hele weg van de bodem van deze tank naar de bovenkant konden afleggen zonder te verdwijnen. Om dit te doen, gebruikten ze geen machine om de deeltjes te creëren; in plaats daarvan gebruikten ze de natuur zelf. Ze wachtten op kosmische stralen, specif kind specifiek muonen, wat hoogenergetische deeltjes zijn die ontstaan wanneer deeltjes uit de ruimte de atmosfeer raken. Deze muonen regenen constant neer op de aarde en passeren gewoon het gebouw en de tank. Wanneer een muon door de vloeibare xenon snijdt, laat hij een spoor van ionisatie achter, waarbij elektronen langs zijn pad worden losgeslagen.

Het team richtte een systeem op om deze muonen op te vangen terwijl ze de tank binnenkwamen. Ze plaatsten twee plastic panelen aan tegenovergestelde zijden van de buitenste container, afgestemd op het detecteren van muonen die onder een specifieke, ondiepe hoek passeren. Wanneer beide panelen tegelijkertijd een muon zagen, stuurden ze een signaal om een timer te starten. Dit gaf de onderzoekers een precies startpunt. Vervolgens hielden ze de bovenkant van de tank in de gaten, waar een rooster van lichtsensoren wachtte om de elektronen op te vangen die vanuit het pad van de muon omhoog dreven. De elektronen, voortgestuwd door een elektrisch veld, reizen omhoog door de vloeistof. Wanneer ze de bovenkant bereiken, worden ze in een gaslaag getrokken, waar ze een tweede, vertraagde lichtflits creëren. Door de tijd tussen de aankomst van de muon en deze tweede flits te meten, kon het team berekenen hoe snel de elektronen bewogen en of ze de volledige afstand hadden afgelegd.

Het experiment was geslaagd. De onderzoekers slaagden erin om elektronen te detecteren die de volledige lengte van 2,6 meter van de tank hadden afgelegd. Ze ontdekten dat de elektronen niet verdwenen; ze overleefden de lange reis. Door de timing van de signalen te analyseren, maten ze de snelheid van de elektronen onder twee verschillende omstandigheden. Bij één instelling bewogen de elektronen met een snelheid van 1,320 millimeter per microseconde. Bij een iets sterkere elektrische duw versnelden ze naar 1,436 millimeter per microsecond. Deze metingen zijn precies, met zeer kleine foutmarges, en bevestigen dat de vloeibare xenon in de tank zuiver genoeg was om lading over deze afstanden van meters te laten reizen.

Dit resultaat is een cruciale stap voorwaarts voor het vakgebied. Het bewijst dat de technologie die nodig is om de volgende generatie detectoren voor donkere materie te bouwen, levensvatbaar is. Als de elektronen een drift van deze lengte niet hadden kunnen overleven, zouden de enorme tanks die voor de toekomst gepland zijn, niet naar behoren werken. De onderzoekers merkten ook op dat, hoewel ze de elektronen succesvol hadden gevolgd, de initiële lichtflits van de muon te zwak was om duidelijk te zien in hun opstelling, een beperking die werd veroorzaakt door het gebrek aan reflecterend materiaal in de tank. Echter, het hoofddoel was bereikt: ze hadden aangetoond dat ladingstransport over zulke lange afstanden mogelijk en meetbaar is.

Het team vergeleek hun bevindingen ook met eerdere metingen die in kleinere tanks of bij verschillende temperaturen waren uitgevoerd. Hun nieuwe gegevens sluiten goed aan bij wat al bekend is, maar ze breiden de reikwijdte van de zekerheid uit naar een veel grotere schaal. Dit geeft vertrouwen aan de ontwerpers van de komende observatoria, die tot wel 80 ton vloeibaar xenon zullen bevatten. Het succes van Xenoscope betekent dat de natuurkundige gemeenschap kan voortgaan met het ontwerp van deze gigantische instrumenten, wetende dat de elektronen zich zullen gedragen zoals verwacht, zelfs wanneer ze meer dan twee meter moeten afleggen. Het experiment heeft de donkere materie zelf niet ontdekt, maar het heeft een belangrijke horde genomen door aan te tonen dat de weg naar de vondst ervan openligt.