U kraljevstvu istraživanja tamne materije, poput porculana, postoji slon: tvrdica koju je teško povjerovati, nemoguće je potvrditi i iznenađujuće je teško objasniti. Ali sada imamo četiri instrumenta s istom vrstom detektora kao suradnja koja posjeduje ovu kontroverznu tvrdnju. Tijekom sljedeće tri godine ovi će eksperimenti ili potvrditi postojanje tamne materije ili opovrgnuti tvrdnju jednom zauvijek, kažu fizičari koji rade na njima.
"Sve će uspjeti", kaže Frank Kalaprice sa Sveučilišta Princeton u New Jerseyu, koji vodi jedan od pokusa.
Početnu najavu dala je suradnja DAMA-e, čiji se detektor nalazi u laboratoriju duboko ispod planinskog lanca Gran Sasso istočno od Rima. Prije više od deset godina pružila je nevjerojatne dokaze za tamnu tvar, nevidljivu tvar za koju se vjeruje da svojim gravitacijskim povlačenjem veže galaksije. Prvi od novih detektora počet će raditi u Južnoj Koreji za samo nekoliko tjedana. Ostatak će biti predstavljen u sljedećih nekoliko godina u Španjolskoj, Australiji i Gran Sassou. Svi će oni koristiti kristale natrijevog jodida za traženje tamne materije, što nije napravio niti jedan eksperiment velikih razmjera, osim DAMA.
Znanstvenici su vrlo sigurni u postojanje tamne materije i da je ona najmanje pet puta veća od normalne materije. Ali njegova priroda ostaje tajanstvena. Vodeća hipoteza je da se barem dio njegove mase sastoji od slabo interaktivnih čestica (WIMP), koje se povremeno moraju sudarati s atomskim jezgrama na Zemlji.
Kristali natrijevog jodida trebali bi emitirati bljesak svjetla ako se to dogodi u detektoru. I dok prirodna radioaktivnost također proizvodi takve izbijanja, DAMA je najavila otkriće WIMP-a još 1998. godine, navodeći činjenicu da je broj epidemija proizvedenih dnevno fluktuirao u skladu s godišnjim dobima.
To bi se moglo očekivati ako signal generiraju WIMP-ovi koji se prolijevaju na Zemlju dok se Sunčev sustav kreće kroz oreole tamne materije Mliječnog puta. U ovom slučaju, broj čestica koje prelaze Zemlju trebao bi dosegnuti maksimum kada se orbitalno kretanje planeta poravna s kretanjem Sunca, početkom lipnja, i smanjivati kada kretanje ide prema Suncu, početkom prosinca.
No, postoji jedan veliki problem. "Da je to bila stvarno mračna materija, mnogi drugi eksperimenti bi je već vidjeli," kaže Thomas Schwetz-Mangold, teorijski fizičar s Karlsruhe Instituta za tehnologiju u Njemačkoj - a to još nitko nije vidio. Ali istodobno, svi pokušaji pronalaženja slabosti u eksperimentu DAMA, uključujući utjecaje na okoliš, koje znanstvenici nisu uzeli u obzir, nisu bili uspješni. "Postoji signal za modulaciju", kaže Kaijuan Ni sa Kalifornijskog sveučilišta u San Diegu koji radi na eksperimentu tamne materije XENON1T. "Ali kako protumačiti ovaj signal - u korist tamne materije ili nečeg drugog - nije jasno."
Nijedan drugi eksperiment u punoj razmjeri nije koristio natrijev jodid u svom detektoru, iako je KIMS u Južnoj Koreji koristio cezijev jodid. Stoga ostaje mogućnost da tamna tvar djeluje na natrij na neki način drugačije nego s ostalim elementima. "Dok netko ne aktivira detektor na isti element koji je ostavio nagovještaj, ne možete biti sigurni ni u što", kaže Juan Collar sa Sveučilišta u Chicagu u Illinoisu, koji je radio na nekoliko eksperimenata s tamnom tvari.
Promotivni video:
Mnogi su se suočili s poteškoćom uzgoja kristala natrijevog jodida s potrebnom čistoćom. Također se ističe kontaminacija kalijem, koja ima prirodni radioaktivni izotop.
Ali tri tima znanstvenika - KIMS, DM-Ice sa sveučilišta Yale u New Havenu i ANAIS sa sveučilišta u Zaragozi u Španjolskoj - uspjeli su dobiti kristale s razinom radioaktivnosti u pozadini od one u DAMA. Znanstvenici kažu da je to dovoljno čisto za testiranje rezultata.
Znanstvenici KIMS i DM-Ice izgradili su detektor natrijum-jodida u suradnji s podzemnom laboratorijom Yangyang, 160 kilometara istočno od Seula. Alat koristi "aktivni veto" senzor koji će bolje razlikovati tamnu tvar od pozadinske buke od DAMA, kaže Yengduk Kim, direktor Centra za podzemnu fiziku Južne Koreje u Daejeonu, koji vodi KIMS.
ANAIS gradi sličan detektor u podzemnoj laboratoriji Canfranc na španjolskim Pirenejima. Zajedno će KIMS, DM-Ice i ANAIS prevoziti preko 200 kilograma natrijevog jodida i razmjenjivati podatke. U usporedbi s 250 kilograma koje je imao DAMA, znanstvenici očekuju da će uloviti sličan broj WIMP-ova. I dok će novi detektori imati višu razinu pozadinske buke, oni će moći ili lažirati ili reproducirati najjači DAMA signal, kaže Reina Maruyama sa sveučilišta Yale, koja vodi DM-Ice.
Ali Kalapris tvrdi da je visoka čistoća važnija od mase. Zajedno s kolegama razvio je način za smanjenje onečišćenja, a u siječnju je najavio primanje kristala koji su čistiji od kristala DAMA. Nada se daljnjem smanjenju razine pozadine, sve do jedne desetine DAMA.
Njegov projekt SABER (Active Background Rejection Sodium Iodide) smjestit će jedan detektor u Gran Sasso-u, a drugi u laboratoriju za fiziku podzemne željeznice Stowell, koji se gradi u rudniku zlata u državi Victoria, Australija. SABER će upotrijebiti detektor koji odvaja signal tamne tvari od buke, a težit će oko 50 kilograma.
SABER će dovršiti svoje istraživanje i razvoj za otprilike godinu dana i početi graditi svoje detektore ubrzo nakon toga, kaže Kalapris. Tada će tehnologija postati dostupna i drugim laboratorijima - nešto što DAMA nije učinila. A ako imate dva identična detektora na sjevernoj i južnoj hemisferi, možete shvatiti mogu li utjecaji okoliša lažirati sezonalnost tamne materije u rezultatima DAMA - ako je signal došao s WIMP-a, oba će detektora vidjeti vrhove istovremeno.
DAMA je vrlo sigurna u svoje rezultate, kaže Rita Bernabei sa Sveučilišta u Rimu. Nije posebno uzbuđena zbog predstojećeg pokretanja detektora natrijevog jodida. "Naši rezultati su potvrđeni više puta tijekom 14 godina, pa se nemamo razloga veseliti što ćemo raditi i drugi", kaže ona. Ako drugi eksperimenti ne vide godišnje modulacije, kolaboracija će jednostavno odlučiti da nisu dovoljno osjetljive.
Ali što ako su znanstvenici DAMA u pravu? "U početku nisam htjela vjerovati DAMA rezultatima, nisam ih čak shvatila ozbiljno", kaže Catherine Freese, teoretičarka astro-čestica na Sveučilištu Michigan u Ann Arboru koja je predložila metodu sezonske modulacije DAMA. Ali budući da drugo objašnjenje za njihov signal nije pronađeno, bila je sigurna. "Što više osoba prouči njihov eksperiment, to više shvaća koliko je dobro izveden."
Ilya Khel