W dziedzinie badań nad ciemną materią, jak w sklepie z porcelaną, istnieje słoń: twierdzenie, w które trudno uwierzyć, niemożliwe do potwierdzenia i zaskakująco trudne do wyjaśnienia. Ale teraz mamy cztery instrumenty z tym samym typem detektora, co współpraca, która jest właścicielem tego kontrowersyjnego twierdzenia. W ciągu następnych trzech lat eksperymenty te albo potwierdzą istnienie ciemnej materii, albo raz na zawsze obalą to twierdzenie, mówią fizycy nad nimi pracujący.
„Wszystko się ułoży” - mówi Frank Kalaprice z Uniwersytetu Princeton w New Jersey, który kieruje jednym z eksperymentów.
Wstępne ogłoszenie zostało ogłoszone przez współpracowników DAMA, których detektor znajduje się w laboratorium głęboko pod pasmem górskim Gran Sasso na wschód od Rzymu. Ponad dziesięć lat temu dostarczyła niesamowitych dowodów na istnienie ciemnej materii, niewidzialnej substancji, która, jak się uważa, wiąże ze sobą galaktyki poprzez przyciąganie grawitacyjne. Pierwszy z nowych detektorów zacznie działać w Korei Południowej już za kilka tygodni. Reszta zostanie uruchomiona w ciągu najbliższych kilku lat w Hiszpanii, Australii i Gran Sasso. Wszyscy z nich będą używać kryształów jodku sodu do poszukiwania ciemnej materii, czego nie przeprowadził żaden eksperyment na dużą skalę, z wyjątkiem DAMA.
Naukowcy są bardzo pewni istnienia ciemnej materii i że jest ona co najmniej pięć razy większa od zwykłej materii. Ale jego natura pozostaje tajemnicza. Wiodąca hipoteza głosi, że przynajmniej część jego masy składa się ze słabo oddziałujących cząstek (WIMP), które muszą czasami zderzać się z jądrem atomowym na Ziemi.
Kryształy jodku sodu powinny emitować błysk światła, jeśli zdarzy się to w detektorze. Chociaż naturalna radioaktywność również wytwarza takie rozbłyski, DAMA ogłosiła odkrycie WIMP w 1998 roku, powołując się na fakt, że liczba rozbłysków wytwarzanych dziennie wahała się w zależności od pory roku.
Dokładnie tego można by się spodziewać, gdyby sygnał był generowany przez WIMP, które rozlewają się na Ziemię, gdy Układ Słoneczny przechodzi przez halo ciemnej materii Drogi Mlecznej. W tym przypadku liczba cząstek przecinających Ziemię powinna osiągnąć szczyt, gdy ruch orbitalny planety zrównuje się z ruchem Słońca, na początku czerwca, i spadać, gdy ruch jest skierowany przeciw Słońcu, na początku grudnia.
Ale jest jeden duży problem. „Gdyby to była naprawdę ciemna materia, wiele innych eksperymentów już by ją dostrzegło” - mówi Thomas Schwetz-Mangold, fizyk teoretyczny z Instytutu Technologii w Karlsruhe w Niemczech - i nikt tego jeszcze nie widział. Ale jednocześnie wszelkie próby znalezienia słabości w eksperymencie DAMA, w tym skutków środowiskowych, których naukowcy nie wzięli pod uwagę, nie powiodły się. „Jest sygnał modulacji” - mówi Kaijuan Ni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, który pracuje nad eksperymentem z ciemną materią XENON1T. „Ale jak zinterpretować ten sygnał - na korzyść ciemnej materii lub czegoś innego - nie jest jasne”.
Żaden inny eksperyment na pełną skalę nie wykorzystywał jodku sodu w swoim detektorze, chociaż KIMS w Korei Południowej używał jodku cezu. W związku z tym istnieje możliwość, że ciemna materia oddziałuje z sodem w inny sposób niż z innymi pierwiastkami. „Dopóki ktoś nie wystrzeli detektora do tego samego elementu, który pozostawił wskazówkę, nie możesz być niczego pewien” - mówi Juan Collar z University of Chicago w Illinois, który pracował nad kilkoma eksperymentami z ciemną materią.
Film promocyjny:
Wielu napotkało trudności z hodowaniem kryształów jodku sodu o wymaganej czystości. Wyraźne jest również zanieczyszczenie potasem, który zawiera naturalnie występujący izotop promieniotwórczy.
Ale trzem zespołom naukowców - KIMS, DM-Ice z Uniwersytetu Yale w New Haven i ANAIS z Uniwersytetu w Saragossie w Hiszpanii - udało się uzyskać kryształy o poziomie radioaktywności o połowę niższym od DAMA. Naukowcy twierdzą, że jest wystarczająco czysty, aby sprawdzić jej wyniki.
Naukowcy z KIMS i DM-Ice zbudowali detektor jodku sodu we współpracy z podziemnym laboratorium Yangyang, 160 kilometrów na wschód od Seulu. Narzędzie wykorzystuje czujnik „aktywnego weta”, który lepiej odróżnia ciemną materię od szumu tła niż DAMA, mówi Yengduk Kim, dyrektor Koreańskiego Centrum Fizyki Podziemnej w Daejeon, które zarządza KIMS.
ANAIS buduje podobny detektor w podziemnym laboratorium Canfranc w hiszpańskich Pirenejach. Razem KIMS, DM-Ice i ANAIS będą przewozić ponad 200 kilogramów jodku sodu i wymieniać dane. W porównaniu z 250 kilogramami, które miała DAMA, naukowcy spodziewają się złowienia podobnej liczby WIMP-ów. I chociaż nowe detektory będą miały wyższy poziom szumów tła, będą w stanie sfałszować lub odtworzyć najsilniejszy sygnał DAMA, mówi Reina Maruyama z Uniwersytetu Yale, która zarządza DM-Ice.
Kalapris twierdzi jednak, że wysoka czystość jest ważniejsza niż masa. Wspólnie z kolegami opracował sposób na zmniejszenie zanieczyszczenia iw styczniu ogłosił otrzymanie kryształów czystszych niż kryształy DAMA. Ma nadzieję, że jeszcze bardziej zmniejszy poziom tła, do jednej dziesiątej DAMA.
Jego projekt SABRE (Active Background Rejection Sodium Jodide) będzie obejmował jeden detektor w Gran Sasso, a drugi w Stowell Underground Physics Laboratory, które jest budowane w kopalni złota w Victorii w Australii. SABRE użyje detektora, który oddziela sygnał ciemnej materii od szumu i waży około 50 kilogramów.
SABRE zakończy prace badawczo-rozwojowe za około rok i wkrótce potem rozpocznie budowę swoich detektorów, mówi Kalapris. Wtedy technologia zostanie udostępniona innym laboratoriom - czego DAMA nie zrobiła. A jeśli masz dwa identyczne detektory na półkuli północnej i południowej, możesz zrozumieć, czy efekty środowiskowe mogą sfałszować sezonowość ciemnej materii w wynikach DAMA - jeśli sygnał pochodzi z WIMP, oba detektory zobaczą szczyty w tym samym czasie.
DAMA jest bardzo pewna swoich wyników, mówi Rita Bernabei z Uniwersytetu Rzymskiego. Nie jest szczególnie podekscytowana zbliżającym się premierą detektorów jodku sodu. „Nasze wyniki były sprawdzane wielokrotnie w ciągu 14 lat, więc nie mamy powodu, by oczekiwać, że zobaczą, co zrobią inni” - mówi. Jeśli inne eksperymenty nie zobaczą rocznych modulacji, współpraca po prostu zdecyduje, że nie były wystarczająco czułe.
Ale co, jeśli naukowcy DAMA mają rację? „Na początku nie chciałem wierzyć w wyniki DAMA, nawet nie traktowałem ich poważnie” - mówi Catherine Freese, teoretyk astro-cząstek na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor, która zaproponowała metodę modulacji sezonowej DAMA. Ale ponieważ nie znaleziono innego wyjaśnienia ich sygnału, była uspokojona. „Im więcej osoba bada swój eksperyment, tym bardziej zdaje sobie sprawę, jak dobrze jest on wykonany”.
Ilya Khel