Pimeäaineiden tutkimuksen alueella, kuten kiinakaupassa, on norsu: väite, jota on vaikea uskoa, mahdotonta vahvistaa ja yllättävän vaikea selittää. Mutta nyt meillä on neljä instrumenttia, joissa on samantyyppinen ilmaisin kuin yhteistyössä, jolla tämä kiistanalainen väite kuuluu. Seuraavien kolmen vuoden aikana nämä kokeet joko vahvistavat pimeän aineen olemassaolon tai kiistävät väitteen lopullisesti, niitä käsittelevät fyysikot sanovat.
"Kaikki onnistuu", sanoo Frank Kalaprice New Jerseyssä sijaitsevasta Princetonin yliopistosta, joka johtaa yhtä kokeista.
Alkuilmoituksen teki DAMA-yhteistyö, jonka ilmaisin sijaitsee laboratoriossa syvällä Gran Sasso -vuoristoalueella Rooman itäpuolella. Yli kymmenen vuotta sitten hän tarjosi uskomattomia todisteita tummasta aineesta, näkymättömästä aineesta, jonka uskotaan sitoutuvan galakseihin yhdessä sen painovoiman avulla. Ensimmäinen uusista ilmaisimista alkaa toimia Etelä-Koreassa vain muutaman viikon kuluttua. Loput markkinoidaan seuraavien vuosien aikana Espanjassa, Australiassa ja Gran Sasso -kaupassa. Kaikki ne käyttävät natriumjodidikiteitä tumman aineen etsimiseen, mitä laajamittaisissa kokeissa ei ole tehty, paitsi DAMA.
Tutkijat ovat erittäin varmoja tumman aineen olemassaolosta ja siitä, että se on vähintään viisi kertaa suurempi kuin normaali aine. Mutta sen luonne on edelleen salaperäinen. Johtava hypoteesi on, että ainakin osa sen massasta koostuu heikosti vuorovaikutuksessa olevista hiukkasista (WIMP), joiden on toisinaan törmätä maapallon atominytimiin.
Natriumjodidikiteiden tulisi säteillä valon välähdys, jos niin tapahtuu ilmaisimessa. Ja vaikka luonnollinen radioaktiivisuus tuottaa myös tällaisia taudinpurkauksia, DAMA ilmoitti WIMP: ien löytämisestä jo vuonna 1998 viitaten tosiseikkaan, että päivässä tuotettujen tautipesäkkeiden määrä vaihteli vuodenaikojen kanssa.
Tätä voidaan odottaa, jos signaalin tuottavat WIMP: t, jotka vuotavat maan päälle aurinkokunnan liikkuessa Linnunradan pimeän aineen halogeenin läpi. Maan ylittävien hiukkasten määrän tulisi tässä tapauksessa olla huippua, kun planeetan kiertoradalla tapahtuu auringon liikkuvuus kesäkuun alussa, ja vähentyä, kun liike siirtyy aurinkoa vastaan, joulukuun alussa.
Mutta on yksi iso ongelma. "Jos se olisi todella pimeää ainetta, niin monet muut kokeilut olisivat nähneet sen jo nyt", sanoo Thomas Schwetz-Mangold, teoreettinen fyysikko Karlsruhen teknillisestä instituutista Saksassa - eikä kukaan ole vielä nähnyt sitä. Mutta samaan aikaan kaikki yritykset löytää DAMA-kokeilussa heikkouksia, mukaan lukien ympäristövaikutukset, joita tutkijat eivät ole ottaneet huomioon, eivät ole onnistuneet. "Modulointisignaali on", sanoo Kaijuan Ni Kalifornian yliopistosta, San Diegosta, joka työskentelee XENON1T-pimeäainekokeessa. "Mutta miten tätä signaalia tulkita - tumman aineen tai muun puolesta - ei ole selvää."
Mikään muu täysimittainen koe ei käyttänyt natriumjodidia detektorissaan, vaikka Etelä-Korean KIMS käytti cesiumjodidia. Siten on edelleen mahdollista, että tumma aine on vuorovaikutuksessa natriumin kanssa jollain tavalla eri tavalla kuin muiden alkuaineiden kanssa. "Ennen kuin joku ampuu ilmaisimen samasta elementistä, joka jätti vihjeen, et voi olla varma mistään", sanoo Juan Collar Chicagon yliopistosta Illinoisissa, joka on työskennellyt useissa tumman aineen kokeissa.
Mainosvideo:
Monilla on ollut vaikeuksia kasvattaa natriumjodidikiteitä vaaditulla puhtaudella. Myös kaliumsaastuminen, jolla on luonnossa esiintyvä radioaktiivinen isotooppi, erottuu.
Mutta kolme tutkijaryhmää - KIMS, DM-Ice Yalen yliopistosta New Havenissa ja ANAIS Zaragozan yliopistosta Espanjassa - onnistuivat hankkimaan kiteitä, joiden radioaktiivisuuden taustataso on puoli DAMA: n tasoa. Se on tarpeeksi puhdas testatakseen tuloksia, tutkijat sanovat.
KIMSin ja DM-Icein tutkijat ovat rakentaneet natriumjodididetektorin yhdessä Yangyangin maanalaisen laboratorion kanssa 160 kilometriä Soulista itään. Työkalu käyttää”aktiivista veto-anturia”, joka erottaa tumman aineen paremmin taustamelusta kuin DAMA, kertoo KIMS: ää johtavan Etelä-Korean Daejeonin maanalaisen fysiikan keskuksen johtaja Yengduk Kim.
ANAIS rakentaa samanlaista ilmaisinta Canfrancin maanalaiseen laboratorioon Espanjan Pyreneillä. Yhdessä KIMS, DM-Ice ja ANAIS kuljettavat yli 200 kiloa natriumjodidia ja vaihtavat tietoja. Verrattuna DAMA: n 250 kiloon, tutkijat odottavat saavansa samanlaisen määrän WIMP: itä. Ja vaikka uusilla ilmaisimilla on korkeampi taustamelu, ne kykenevät joko väärentämään tai toistamaan voimakkaimman DAMA-signaalin, sanoo DM-Iceä johtavan Yalen yliopiston Reina Maruyama.
Mutta Kalapris väittää, että korkea puhtaus on tärkeämpää kuin massa. Yhdessä kollegoidensa kanssa hän kehitti tavan vähentää pilaantumista ja ilmoitti tammikuussa vastaanottavansa DAMA-kiteitä puhtaampia kiteitä. Hän toivoo vähentävän taustatasoa edelleen, jopa kymmenesosaan DAMA-tasosta.
Hänen SABER-projekti (aktiivinen taustahyödyntämisnatriumjodidi) sijoittaa yhden ilmaisimen Gran Sassoon ja toisen detektorin Stowellin maanalaiseen fysiikan laboratorioon, jota rakennetaan kultakaivokseen Victoriassa, Australiassa. SABER käyttää ilmaisinta, joka erottaa tumman aineen signaalin kohinasta ja painaa noin 50 kilogrammaa.
SABRE saa tutkimus- ja kehitystyön päätökseen noin vuoden kuluttua ja alkaa ilmaisimien rakentamista pian sen jälkeen, Kalapris sanoo. Sitten tekniikka tulee saataville muille laboratorioille - jotain DAMA ei tehnyt. Ja jos sinulla on kaksi identtistä ilmaisinta pohjoisessa ja etelässä pallonpuoliskolla, voit ymmärtää, voivatko ympäristövaikutukset väärentää pimeän aineen kausiluonteisuutta DAMA-tuloksissa - jos signaali tuli WIMP: istä, molemmat ilmaisimet näkevät huiput samanaikaisesti.
DAMA on erittäin varma tuloksistaan, sanoo Rita Bernabei Rooman yliopistosta. Hän ei ole erityisen innostunut natriumjodididetektorien tulevasta lanseerauksesta. "Tuloksemme on vahvistettu useita kertoja 14 vuoden aikana, joten meillä ei ole syytä odottaa innolla sitä, mitä muut tekevät", hän sanoo. Jos muut kokeet eivät näe vuosittaisia modulaatioita, yhteistyö päättää vain, että ne eivät olleet riittävän herkkiä.
Mutta entä jos DAMA-tutkijat ovat oikeassa? "Aluksi en halunnut uskoa DAMA-tuloksia, en edes ottanut niitä vakavasti", sanoo Ann Arborin Michiganin yliopiston astropartikkeliteoreetikko Katherine Freese, joka ehdotti DAMA: n kausittaista modulaatiomenetelmää. Mutta koska heidän signaalilleen ei löytynyt muuta selitystä, hän vakuutettiin. "Mitä enemmän henkilö tutkii kokeilua, sitä enemmän hän ymmärtää kuinka hyvin se tehdään."
Ilja Khel