På området mørk materie-forskning, som i en Kina-butikk, er det en elefant: en påstand som er vanskelig å tro, umulig å bekrefte og overraskende vanskelig å forklare. Men nå har vi fire instrumenter med samme type detektor som samarbeidet som eier denne kontroversielle påstanden. I løpet av de neste tre årene vil disse eksperimentene enten bekrefte eksistensen av mørk materie eller motbevise påstanden en gang for alle, sier fysikerne som jobber med dem.
"Alt ordner seg," sier Frank Kalaprice fra Princeton University i New Jersey, som leder et av eksperimentene.
Den første kunngjøringen ble gitt av DAMA-samarbeidet, hvis detektor ligger i et laboratorium dypt under Gran Sasso-fjellkjeden øst for Roma. For mer enn ti år siden ga hun fantastiske bevis for mørk materie, et usynlig stoff som antas å binde galakser sammen av dets gravitasjonstrekk. Den første av de nye detektorene begynner å operere i Sør-Korea om bare noen få uker. Resten blir lansert i løpet av de neste årene i Spania, Australia og Gran Sasso. Alle av dem vil bruke natriumjodidkrystaller for å søke etter mørk materie, noe ingen storstilt eksperiment har gjort, bortsett fra DAMA.
Forskere er veldig sikre på at det eksisterer mørk materie, og at det er minst fem ganger større enn vanlig materie. Men dens natur forblir mystisk. Den ledende hypotesen er at minst en del av massen består av svakt samvirkende partikler (WIMPs) som tidvis må kollidere med atomkjerner på jorden.
Natriumjodidkrystaller bør avgi et lysglimt hvis dette skjer i detektoren. Selv om naturlig radioaktivitet også produserer slike fakler, kunngjorde DAMA oppdagelsen av WIMP-er tilbake i 1998, og siterer det faktum at antallet fakler produsert per dag svingte med årstidene.
Dette er hva som kan forventes hvis signalet genereres av WIMP-er som søler ut på jorden når solsystemet beveger seg gjennom melkeveien i mørke stoffer. I dette tilfellet bør antallet partikler som krysser jorden, toppe når planetens orbitalbevegelse stemmer overens med solens bevegelse, i begynnelsen av juni, og avta når bevegelsen går mot solen, i begynnelsen av desember.
Men det er ett stort problem. "Hvis det var virkelig mørk materie, ville mange andre eksperimenter sett det nå," sier Thomas Schwetz-Mangold, en teoretisk fysiker ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland - og ingen har sett det ennå. Men samtidig har ikke alle forsøk på å finne svakheter i DAMA-eksperimentet, inkludert miljøeffekter, som forskere ikke tok hensyn til, ikke vært vellykket. "Det er et modulasjonssignal," sier Kaijuan Ni fra University of California, San Diego, som jobber med XENON1T-mørkesaken-eksperimentet. "Men hvordan man kan tolke dette signalet - til fordel for mørk materie eller noe annet - er ikke klart."
Ingen andre fullskala eksperimenter brukte natriumjodid i detektoren, selv om KIMS i Sør-Korea brukte cesiumjodid. Dermed gjenstår muligheten for at mørk materie interagerer med natrium på noen måte annerledes enn med andre elementer. "Inntil noen avfyrer en detektor på det samme elementet som etterlot hintet, kan du ikke være sikker på noe," sier Juan Collar fra University of Chicago i Illinois, som har arbeidet med flere eksperimenter med mørk materie.
Salgsfremmende video:
Mange har møtt vanskeligheten med å dyrke natriumjodidkrystaller med den nødvendige renhet. Kaliumforurensning, som har en naturlig forekommende radioaktiv isotop, skiller seg også ut.
Men tre team av forskere - KIMS, DM-Ice fra Yale University i New Haven og ANAIS fra University of Zaragoza i Spania - klarte å skaffe krystaller med et bakgrunnsnivå på radioaktivitet halvparten av DAMA. Det er rent nok til å teste resultatene hennes, sier forskere.
Forskere fra KIMS og DM-Ice har bygget en natriumjodid-detektor i forbindelse med Yangyangs underjordiske laboratorium, 160 kilometer øst for Seoul. Verktøyet bruker en “aktiv veto” -sensor som bedre vil skille mørk materie fra bakgrunnsstøy enn DAMA, sier Yengduk Kim, direktør for Sør-Koreas Center for Underground Physics i Daejeon, som driver KIMS.
ANAIS bygger en lignende detektor ved det underjordiske laboratoriet Canfranc i de spanske Pyreneene. Til sammen skal KIMS, DM-Ice og ANAIS overføre 200 kg natriumjodid og utveksle data. Sammenlignet med de 250 kiloene som DAMA hadde, regner forskerne med å fange et tilsvarende antall WIMP-er. Og mens de nye detektorene vil ha høyere nivåer av bakgrunnsstøy, vil de kunne enten falske eller reprodusere det sterkeste DAMA-signalet, sier Reina Maruyama fra Yale University, som driver DM-Ice.
Men Kalapris argumenterer for at høy renhet er viktigere enn masse. Sammen med kollegene utviklet han en måte å redusere forurensning, og kunngjorde i januar mottak av krystaller som er renere enn DAMA-krystaller. Han håper å redusere bakgrunnsnivået ytterligere, ned til en tidel av DAMA.
SABER-prosjektet hans (Active Background Rejection Sodium Iodide) vil huse en detektor i Gran Sasso og en annen i Stowell Underground Physics Laboratory, som bygges i en gullgruve i Victoria, Australia. SABER vil bruke en detektor som skiller mørkstoffsignalet fra støyen, og vil veie rundt 50 kilo.
SABER vil fullføre forskningen og utviklingen om et år og begynne å bygge detektorene like etterpå, sier Kalapris. Da vil teknologien bli tilgjengelig for andre laboratorier - noe DAMA ikke gjorde. Og hvis du har to identiske detektorer i den nordlige og den sørlige halvkule, kan du forstå om miljøeffekter kan falske sesongmessigheten av mørk materie i DAMA-resultatene - hvis signalet kom fra WIMP-er, vil begge detektorene se topper samtidig.
DAMA er veldig trygg på resultatene sine, sier Rita Bernabei ved Universitetet i Roma. Hun er ikke spesielt begeistret for den kommende lanseringen av natriumjodiddetektorer. "Resultatene våre har blitt validert flere ganger i løpet av 14 år, så vi har ingen grunn til å se frem til å se hva andre vil gjøre," sier hun. Hvis andre eksperimenter ikke ser de årlige moduleringene, vil samarbeidet ganske enkelt bestemme at de ikke var sensitive nok.
Men hva hvis DAMA-forskerne har rett? "Til å begynne med ville jeg ikke tro DAMA-resultatene, jeg tok ikke engang dem på alvor," sier Catherine Freese, en astro-partikkelteoretiker ved University of Michigan i Ann Arbor som foreslo DAMAs sesongmoduleringsmetode. Men siden ingen annen forklaring på signalet ble funnet, ble hun beroliget. "Jo mer en person studerer eksperimentet sitt, jo mer innser han hvor godt det gjøres."
Ilya Khel
