Pe tărâmul cercetării în materie întunecată, ca într-un magazin din China, există un elefant: o afirmație greu de crezut, imposibil de confirmat și surprinzător de dificil de explicat. Acum avem însă patru instrumente cu același tip de detector ca și colaborarea care deține această afirmație controversată. În următorii trei ani, aceste experimente vor confirma existența materiei întunecate sau vor respinge afirmația o dată pentru totdeauna, spun fizicienii care lucrează la acestea.
„Totul va funcționa”, spune Frank Kalaprice, de la Universitatea Princeton din New Jersey, care conduce unul dintre experimente.
Anunțul inițial a fost făcut de colaborarea DAMA, al cărui detector este situat într-un laborator adânc sub lanțul Gran Sasso, la est de Roma. Cu mai mult de un deceniu în urmă, a furnizat dovezi uimitoare pentru materia întunecată, o substanță invizibilă despre care se crede că leagă galaxiile între ele prin atragerea gravitațională. Primul dintre noii detectori va începe să funcționeze în Coreea de Sud în doar câteva săptămâni. Restul va fi lansat în următorii ani în Spania, Australia și Gran Sasso. Toți aceștia vor folosi cristale de iodură de sodiu pentru a căuta materie întunecată, ceea ce nu a făcut niciun experiment pe scară largă, cu excepția DAMA.
Oamenii de știință sunt foarte încrezători în existența materiei întunecate și că este de cel puțin cinci ori mai mare decât materia normală. Dar natura ei rămâne misterioasă. Ipoteza principală este că cel puțin o parte a masei sale constă în particule slab interacționate (WIMPs) care, ocazional, trebuie să se ciocnească cu nucleele atomice de pe Pământ.
Cristalele de iodură de sodiu ar trebui să emită un flash de lumină dacă acest lucru se întâmplă în detector. În timp ce radioactivitatea naturală produce, de asemenea, asemenea flăcări, DAMA a anunțat descoperirea WIMP-urilor în 1998, citând faptul că numărul flares-urilor produse pe zi a fluctuat odată cu anotimpurile.
Acest lucru ar fi de așteptat dacă semnalul este generat de WIMP-uri care se vărsă pe Pământ, pe măsură ce sistemul solar se deplasează prin halo-ul de materie întunecată al Căii Lactee. În acest caz, numărul de particule care traversează Pământul ar trebui să crească atunci când mișcarea orbitală a planetei se aliniază cu mișcarea Soarelui, la începutul lunii iunie și să scadă atunci când mișcarea merge împotriva Soarelui, la începutul lunii decembrie.
Dar există o mare problemă. „Dacă era o chestiune cu adevărat întunecată, multe alte experimente l-ar fi văzut până acum”, spune Thomas Schwetz-Mangold, fizician teoretic la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din Germania - și nimeni nu l-a văzut încă. Dar, în același timp, toate încercările de a găsi puncte slabe în experimentul DAMA, inclusiv efectele asupra mediului, de care oamenii de știință nu au ținut cont, nu au avut succes. "Există un semnal de modulare", spune Kaijuan Ni de la Universitatea din California, San Diego, care lucrează la experimentul XENON1T cu materie întunecată. „Dar cum să interpretezi acest semnal - în favoarea materiei întunecate sau altceva - nu este clar”.
Niciun alt experiment la scară completă nu a folosit iodură de sodiu în detectorul său, deși KIMS în Coreea de Sud a folosit iodură de cesiu. Astfel, rămâne posibilitatea ca materia întunecată să interacționeze cu sodiul într-un fel diferit decât cu alte elemente. "Până când cineva arde un detector pe același element care a lăsat indiciu, nu puteți fi sigur de nimic", spune Juan Collar de la Universitatea din Chicago din Illinois, care a lucrat la mai multe experimente cu materii întunecate.
Video promotional:
Mulți s-au confruntat cu dificultatea de a crește cristale de iodură de sodiu cu puritatea necesară. De asemenea, se evidențiază contaminarea cu potasiu, care are un izotop radioactiv natural.
Dar trei echipe de oameni de știință - KIMS, DM-Ice de la Universitatea Yale din New Haven și ANAIS de la Universitatea din Zaragoza din Spania - au reușit să obțină cristale cu un nivel de fundal de radioactivitate jumătate din cel al DAMA. Sunt suficient de curati pentru a-i testa rezultatele, spun oamenii de stiinta.
Oamenii de știință de la KIMS și DM-Ice au construit un detector de iodură de sodiu împreună cu laboratorul subteran Yangyang, la 160 de kilometri est de Seul. Instrumentul folosește un senzor „veto activ”, care va distinge mai bine materia întunecată de zgomotul de fond decât DAMA, spune Yengduk Kim, directorul Centrului pentru fizică subterană din Daejeon, care conduce KIMS.
ANAIS construiește un detector similar la laboratorul subteran Canfranc din Pirineii spanioli. Împreună, KIMS, DM-Ice și ANAIS vor transporta peste 200 de kilograme de iodură de sodiu și schimb de date. Față de cele 250 de kilograme pe care le-a avut DAMA, oamenii de știință se așteaptă să prindă un număr similar de WIMP-uri. Și în timp ce noii detectori vor avea niveluri mai mari de zgomot de fond, ei vor putea fie falsifica sau reproduce cel mai puternic semnal de DAMA, spune Reina Maruyama de la Universitatea Yale, care conduce DM-Ice.
Dar Kalapris susține că puritatea ridicată este mai importantă decât masa. Împreună cu colegii, a dezvoltat o modalitate de reducere a poluării, iar în ianuarie a anunțat primirea cristalelor care sunt mai curate decât cristalele DAMA. El speră să reducă nivelul de fundal în continuare, până la o zecime din DAMA.
Proiectul său SABER (Active Background Rejection Sodium Iodide) va găzdui un detector în Gran Sasso și altul în Laboratorul de fizică subteran Stowell, care este construit într-o mină de aur din Victoria, Australia. SABER va folosi un detector care separă semnalul de materie întunecată de zgomot și va cântări aproximativ 50 de kilograme.
SABER își va finaliza cercetarea și dezvoltarea în aproximativ un an și va începe construirea detectoarelor sale la scurt timp după aceea, spune Kalapris. Apoi, tehnologia va deveni disponibilă altor laboratoare - lucru pe care DAMA nu l-a făcut. Și dacă aveți doi detectori identici în emisferele nordice și sudice, puteți înțelege dacă efectele asupra mediului ar putea falsifica sezonul materiei întunecate în rezultatele DAMA - dacă semnalul provine de la WIMP, ambii detectori vor vedea vârfuri în același timp.
DAMA este foarte sigură în rezultatele sale, spune Rita Bernabei, de la Universitatea din Roma. Nu este deosebit de încântată de lansarea viitoare a detectoarelor de iodură de sodiu. „Rezultatele noastre au fost validate de mai multe ori de-a lungul a 14 ani, așa că nu avem niciun motiv să așteptăm cu nerăbdare să vedem ce vor face ceilalți”, spune ea. Dacă alte experimente nu văd modulările anuale, colaborarea va decide pur și simplu că nu au fost suficient de sensibile.
Dar dacă oamenii de știință ai DAMA au dreptate? „La început, nu am vrut să cred rezultatele DAMA, nici măcar nu le-am luat în serios”, spune Catherine Freese, un teoretician astro-particule la Universitatea Michigan din Ann Arbor, care a propus metoda de modulare sezonieră a DAMA. Dar, din moment ce nu a fost găsită altă explicație pentru semnalul lor, ea a fost liniștită. „Cu cât o persoană își studiază experimentul, cu atât el își dă seama cât de bine se face”.
Ilya Khel
