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El detector LZ aprende a reconocer partículas de materia oscura por la forma del destello de luz.
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Bajo tierra, en una antigua mina de oro, hay un tanque con xenón líquido. Si una partícula de materia oscura lo atraviesa, el xenón destella. Pero también destella con partículas ordinarias, como neutrinos o restos de radiactividad. El desafío es saber qué destello proviene de la materia oscura y cuál es ruido.
Los científicos del experimentoLZ encontraron un método: el destello tiene una forma. Se espera que las partículas de materia oscura golpeen el núcleo de un átomo, y la luz se atenúa más lentamente. Los electrones ordinarios producen un destello más rápido. El detector mide el tiempo de llegada de cada fotón, como un cronómetro para cada rayo de luz. Con esta forma se puede filtrar parte de los eventos de fondo.
Antes, los científicos solo observaban la relación entre luz y carga. Ahora, añadieron la forma del destello: se obtiene un doble filtro.
El método se probó con datos de calibración. Para un fondo raro, la doble captura de electrones en xenón-124, la fuga de eventos de fondo cayó al 5%. Y si se combina la forma del destello con el método anterior, las falsas detecciones se reducen a la mitad para destellos brillantes.
Así, el detector LZ se vuelve más atento: no solo observa cuánta luz hay, sino cómo cambia esa luz con el tiempo. Quizás así se capture la primera partícula de materia oscura.
The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment is a direct-detection dark matter experiment, optimized to search for weakly interacting massive particles (WIMPs) through WIMP-nucleon interactions. The main challenge in dark matter detection is differentiating between WIMP signals and background events. In LZ, the ratio of ionization to scintillation signals (charge-to-light) is the primary method for rejecting electronic recoil (ER) background. Pulse shape discrimination (PSD) offers a method for additional ER backgrounds rejection in liquid xenon detectors. In this paper, the discrimination power of PSD with the LZ experiment is discussed. To precisely characterize the scintillation pulse shape, an analysis framework is developed to reconstruct the detection time of individual photons. Using LZ calibration data, the photon-timing prompt fraction discriminator is optimized and achieves ER leakage as low as $$15\%$$. For specific background processes such as $$^{124}$$Xe double electron capture, the leakage is reduced further to about $$5\%$$. PSD is combined with charge-to-light to form two-factor discrimination (TFD). The optimized TFD performance is compared with the performance of the charge-to-light method, with the corresponding false positive rate reduced by up to a factor of two for large scintillation pulses. Finally, PSD and TFD are applied to data from LZ's WS2024 run and their performance is summarized.
El xenón líquido en el detector LZ pesa unas 7 toneladas, como un pequeño elefante.
En la serie «Dark Matter» (2015), la tripulación de una nave se enfrenta a una sustancia misteriosa que no se puede ver directamente, igual que la materia oscura real.
