A sötét anyaggal kapcsolatos kutatás területén, mint például egy kínai üzletben, van egy elefánt: egy állítás, amelyet nehéz elhinni, nem lehet megerősíteni, és meglepően nehéz megmagyarázni. De most négy instrumentumunk van ugyanolyan típusú detektorral, mint az e vitatott követelés tulajdonosa az együttműködés. Az elkövetkező három évben ezek a kísérletek vagy megerősítik a sötét anyag létezését, vagy pedig egyszer és mindenkorra megcáfolják az állítást, mondják a rájuk dolgozó fizikusok.
"Minden rendben lesz" - mondja Frank Kalaprice a New Jersey-i Princeton Egyetemen, aki az egyik kísérletet vezeti.
Az első bejelentést a DAMA együttműködés tette közzé, amelynek detektorát Rómától keletre fekvő Gran Sasso hegység alatti laboratóriumban található. Több mint egy évtizeddel ezelőtt csodálatos bizonyítékokat szolgáltatott a sötét anyaggal kapcsolatban - egy láthatatlan anyaggal, amelyről úgy gondolták, hogy gravitációs vonzása révén köti össze a galaxisokat. Az első új detektorok csak néhány hét múlva kezdik meg működését Dél-Koreában. A többit az elkövetkező néhány évben Spanyolországban, Ausztráliában és Gran Sasso-ban indítják. Mindegyik nátrium-jodid-kristályokat fog felhasználni a sötét anyag keresésére, amit a DAMA kivételével egyetlen nagyszabású kísérlet sem tett.
A tudósok nagyon bízik abban, hogy létezik sötét anyag és legalább öt alkalommal nagyobb, mint a normál anyag. De a természet továbbra is rejtélyes. A vezető hipotézis az, hogy tömegének legalább egy része gyengén kölcsönhatásban lévő részecskékből (WIMP) áll, amelyeknek időnként össze kell ütközniük a Föld atommagainál.
A nátrium-jodid kristályoknak villanófényt kell kibocsátaniuk, ha ez történik a detektorban. És bár a természetes radioaktivitás szintén ilyen járványokat okoz, a DAMA 1998-ban bejelentette a WIMP-k felfedezését, hivatkozva arra, hogy a napi előforduló kitörések száma az évszakokkal ingadozik.
Ez az, ami elvárható, ha a jelet olyan WIMP-k generálják, amelyek a Földre terjednek, amikor a Naprendszer a Tejút sötét anyagának halad át. Ebben az esetben a Földön áthaladó részecskék számának akkor kell csúcsot elérnie, amikor a bolygó orbitális mozgása egybeesik a Nap mozgásával, június elején, és csökkenni kell, amikor a mozgás a Nap ellen indul, december elején.
De van egy nagy probléma. „Ha valóban sötét anyag lenne, akkor sok más kísérlet már látta volna” - mondja Thomas Schwetz-Mangold, a németországi Karlsruhe Technológiai Intézet elméleti fizikusa - és ezt még senki nem látta. Ugyanakkor a DAMA kísérletben hiányosságok felkutatására tett kísérletek, ideértve a környezeti hatásokat is, amelyeket a tudósok nem vettek figyelembe, nem jártak sikerrel. "Van egy modulációs jel" - mondja Kaijuan Ni a San Diego-i kaliforniai egyetemen, aki a XENON1T sötét anyag kísérletén dolgozik. "De hogyan lehet ezt a jelet értelmezni - a sötét anyag vagy valami más javára - nem világos."
Más teljes körű kísérletben nátrium-jodidot nem használt detektorban, bár a dél-koreai KIMS cézium-jodidot használt. Így fennáll annak a lehetősége, hogy a sötét anyag valamilyen módon kölcsönhatásba lép a nátriummal, mint más elemekkel. "Amíg valaki nem detektál az érzékelőn ugyanazon az elemnél, amelyen a jelzés megmaradt, akkor semmiben sem biztos lehet benne" - mondja Juan Collar a Chicagói Egyetemen, Illinoisban, aki több sötét anyag kísérlettel foglalkozik.
Promóciós videó:
Sokan szembesültek azzal a nehézséggel, hogy a nátrium-jodid kristályokat előállítsák a szükséges tisztasággal. Ugyancsak kiemelkedik a káliumszennyezés, amelynek a természetben előforduló radioaktív izotópja van.
Három tudóscsoportnak - a KIMS-nek, a DM-Ice-nek a New Haven-i Yale Egyetemen és az ANAIS-nek a spanyol Zaragozai Egyetemen - sikerült olyan kristályokat előállítaniuk, amelyeknek a háttér radioaktivitása szintje fele a DAMA-nak. Elég tiszta ahhoz, hogy tesztelje eredményeit - mondják a tudósok.
A KIMS és a DM-Ice tudósai nátrium-jodiddetektorokat építettek a szöulitól 160 kilométerre keletre fekvő Yangyang földalatti laboratóriummal összefüggésben. Az eszköz egy "aktív vétó" érzékelőt használ, amely jobban megkülönbözteti a sötét anyagot a zajtól, mint a DAMA - mondta Yengduk Kim, a KIMS-t működtető daejeoni Dél-Korea Földalatti Fizikai Központ igazgatója.
Az ANAIS hasonló detektorokat épít a Pireneusok spanyolországi Canfranc földalatti laboratóriumában. A KIMS, a DM-Ice és az ANAIS együttesen több mint 200 kilogramm nátrium-jodidot hordoz és adatcserét folytat. A DAMA 250 kilogrammához képest a tudósok hasonló számú WIMP-t fognak várni. És bár az új detektorok magasabb szintű háttérzajt fognak képesek, akár meghamisítani, akár visszaadni a legerősebb DAMA jelet - mondja Reina Maruyama a Yale Egyetemen, aki a DM-Ice-t üzemelteti.
Kalapris szerint azonban a nagy tisztaság fontosabb, mint a tömeg. Kollégáival együtt kidolgozott egy módszert a szennyezés csökkentésére, és januárban bejelentette a DAMA kristályoktól tisztább kristályok átvételét. Reméli, hogy tovább csökkenti a háttérszintet, a DAMA egytizedére csökkentve.
SABER (aktív háttér-elutasító nátrium-jodid) projekt egyik detektorot fog elhelyezni Gran Sasso-ban, a másik pedig a Stowell Underground Physics Laboratory-ban, amelyet egy ausztráliai Viktoriában található aranybányában építenek. A SABER olyan érzékelőt fog használni, amely elválasztja a sötét anyag jelet a zajtól, és kb. 50 kilogrammot fog tölteni.
Körülbelül egy éven belül befejezi kutatását és fejlesztését, és röviddel ezután megkezdi detektorok felépítését - mondja Kalapris. Akkor a technológia más laboratóriumok számára is elérhető lesz - amit a DAMA nem tett. És ha két azonos detektorral rendelkezik az északi és a déli féltekén, akkor megértheti, hogy a környezeti hatások hamisíthatják-e a sötét anyag szezonalitását a DAMA eredményekben - ha a jel a WIMP-kből származik, akkor mindkét detektor csúcsokat fog látni egyszerre.
Rita Bernabei, a Római Egyetem, a DAMA nagyon magabiztos az eredményeiben. Különösen nem izgatott a nátrium-jodid-detektorok közelgő bevezetése miatt. "Eredményeinket 14 év alatt sokszor hitelesítettük, tehát nincs okunk arra, hogy várakozással tekintünk arra, hogy mások mit fognak tenni" - mondja. Ha más kísérletek nem látják az éves modulációkat, az együttműködés egyszerűen úgy dönt, hogy nem voltak elég érzékenyek.
De mi van, ha igaza van a DAMA tudósoknak? "Eleinte nem akartam hinni a DAMA eredményeknek, nem is vettem őket komolyan" - mondja Katherine Freese, Ann Arborban a Michigan-i Egyetem asztro-részecske-elmélete, aki a DAMA szezonális modulációs módszerét javasolta. Mivel azonban nem találtak más magyarázatot jelzésükre, megnyugtatta. "Minél inkább egy ember tanulmányozza a kísérletét, annál jobban rájön, milyen jól hajtják végre."
Ilya Khel