В сферата на изследванията на тъмната материя, като в магазин за Китай, има слон: твърдение, което е трудно да се повярва, невъзможно да се потвърди и изненадващо трудно да се обясни. Но сега имаме четири инструмента със същия тип детектор като колаборацията, която притежава това спорно твърдение. През следващите три години тези експерименти или ще потвърдят съществуването на тъмна материя, или ще опровергаят твърдението веднъж завинаги, казват физиците, работещи върху тях.
"Всичко ще се получи", казва Франк Калаприс от Принстънския университет в Ню Джърси, който води един от експериментите.
Първоначалното съобщение е направено от сътрудничеството на DAMA, чийто детектор се намира в лаборатория дълбоко под планинската верига Гран Сасо източно от Рим. Преди повече от десетилетие тя представи невероятни доказателства за тъмна материя, невидимо вещество, за което се смята, че свързва галактики заедно с гравитационното си дърпане. Първият от новите детектори ще започне да работи в Южна Корея само след няколко седмици. Останалите ще стартират през следващите няколко години в Испания, Австралия и Гран Сасо. Всички те ще използват кристали натриев йодид, за да търсят тъмна материя, което не е правил мащабен експеримент, с изключение на DAMA.
Учените са много уверени в съществуването на тъмна материя и че тя е поне пет пъти по-голяма от нормалната материя. Но природата му остава загадъчна. Водещата хипотеза е, че поне част от масата му се състои от слабо взаимодействащи частици (WIMP), които от време на време трябва да се сблъскват с атомни ядра на Земята.
Кристалите на натриев йодид трябва да излъчват светкавица, ако това се случи в детектора. И докато естествената радиоактивност също произвежда такива огнища, DAMA обяви откриването на WIMP още през 1998 г., като се позова на факта, че броят на епидемиите, произведени на ден, се колебаеше със сезоните.
Това е, което би се очаквало, ако сигналът се генерира от WIMPs, които се разливат на Земята, докато Слънчевата система се движи през ореола на тъмната материя на Млечния път. В този случай броят на частиците, пресичащи Земята, трябва да достигне пик, когато орбиталното движение на планетата се приведе в съответствие с движението на Слънцето, в началото на юни, и да намалее, когато движението върви срещу Слънцето, в началото на декември.
Но има един голям проблем. „Ако това беше наистина тъмна материя, много други експерименти щяха да го видят досега“, казва Томас Швец-Манголд, теоретичен физик от Карлсруеския технологичен институт в Германия - и никой още не го е виждал. Но в същото време всички опити за откриване на слабости в експеримента DAMA, включително въздействия върху околната среда, които учените не са взели предвид, не са успешни. „Има сигнал за модулация“, казва Kaijuan Ni от Калифорнийския университет в Сан Диего, който работи върху експеримента с тъмна материя XENON1T. "Но как да се интерпретира този сигнал - в полза на тъмната материя или нещо друго - не е ясно."
Никой друг пълномащабен експеримент не използва натриев йодид в своя детектор, въпреки че KIMS в Южна Корея използва цезиев йодид. Така остава възможността тъмната материя да взаимодейства с натрия по някакъв начин по различен начин, отколкото с други елементи. „Докато някой не задейства детектор на същия елемент, оставил намека, не можете да сте сигурни в нищо“, казва Хуан Колар от Чикагския университет в Илинойс, който е работил върху няколко експеримента с тъмна материя.
Промоционално видео:
Мнозина са изправени пред трудността да отглеждат кристали натриев йодид с необходимата чистота. Също така се откроява замърсяването с калий, което има естествен радиоактивен изотоп.
Но три екипа от учени - KIMS, DM-Ice от Йейлския университет в Ню Хейвън и ANAIS от Университета в Сарагоса в Испания - успяха да получат кристали с фоново ниво на радиоактивност, наполовина на това на DAMA. Достатъчно чист е, за да тества резултатите от нея, казват учените.
Учени от KIMS и DM-Ice са изградили детектор на натриев йодид съвместно с подземната лаборатория Yangyang, на 160 километра източно от Сеул. Инструментът използва сензор за "активно вето", който ще разграничава по-добре тъмната материя от шума от DAMA, казва Йенгдук Ким, директор на Центъра за подземна физика в Южна Корея в Теджон, който ръководи KIMS.
ANAIS изгражда подобен детектор в подземната лаборатория в Канфранк в Испанските Пиренеи. Заедно KIMS, DM-Ice и ANAIS ще носят над 200 килограма натриев йодид и ще обменят данни. В сравнение с 250-те килограма, които има DAMA, учените очакват да хванат подобен брой WIMP. И докато новите детектори ще имат по-високи нива на фонов шум, те ще могат да фалшифицират или да възпроизвеждат най-силния DAMA сигнал, казва Рейна Маруяма от Йейлския университет, която управлява DM-Ice.
Но Калаприс твърди, че високата чистота е по-важна от масата. Заедно с колегите той разработи начин за намаляване на замърсяването и през януари обяви получаването на кристали, които са по-чисти от кристалите DAMA. Той се надява да намали допълнително нивото на фона, до една десета от DAMA.
Неговият проект SABER (Active Background Rejection Sodium Iodide) ще приюти един детектор в Гран Сасо и друг в лабораторията за подземна физика в Стоуел, който се изгражда в златна мина във Виктория, Австралия. SABER ще използва детектор, който отделя сигнала на тъмната материя от шума и ще тежи около 50 килограма.
SABER ще завърши своите изследвания и разработки след около година и ще започне да изгражда своите детектори скоро след това, казва Kalapris. Тогава технологията ще стане достъпна за други лаборатории - нещо, което DAMA не направи. И ако имате два еднакви детектора в северното и южното полукълбо, можете да разберете дали въздействието върху околната среда би могло да фалшифицира сезонността на тъмната материя в резултатите от DAMA - ако сигналът дойде от WIMP, и двата детектора ще виждат пикове едновременно.
DAMA е много уверена в своите резултати, казва Рита Бернабей от университета в Рим. Не се вълнува особено от предстоящото пускане на детектори на натриев йодид. „Нашите резултати са валидирани многократно за 14 години, така че нямаме основание да очакваме с нетърпение да видим какво ще правят другите“, казва тя. Ако други експерименти не видят годишните модулации, сътрудничеството просто ще реши, че не са достатъчно чувствителни.
Но какво ще стане, ако учените от DAMA са прави? „Отначало не исках да вярвам на резултатите на DAMA, дори не ги приемах насериозно“, казва Катрин Фрийз, теоретик на астрочастиците в университета в Мичиган в Ан Арбър, която предложи метода на DAMA за сезонна модулация. Но тъй като не беше намерено друго обяснение за сигнала им, тя беше успокоена. "Колкото повече човек изучава експеримента си, толкова повече той осъзнава колко добре се прави."
Иля Кел