Το υπόγειο πείραμα θέτει υπό αμφισβήτηση τον αμφιλεγόμενο ισχυρισμό της σκοτεινής ύλης
Πριν από είκοσι χρόνια, φυσικοί με το πείραμα της Σκοτεινής Ύλης (DAMA) στο υπόγειο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας ανακοίνωσαν ότι είχαν εντοπίσει σωματίδια σκοτεινής ύλης - το μυστηριώδες υλικό του οποίου η βαρύτητα πιθανώς συγκρατεί τον γαλαξία. Τώρα, το πρώτο πείραμα που σχεδιάστηκε για να δοκιμάσει άμεσα τον αμφιλεγόμενο ισχυρισμό της DAMA δημοσίευσε τα πρώτα του δεδομένα. Οι φυσικοί που εργάζονται με τον ανιχνευτή COSINE-100 στη Νότια Κορέα λένε ότι δεν βλέπουν σημάδια σκοτεινής ύλης—αλλά χρειάζονται ακόμα μερικά χρόνια για να βάλουν πραγματικά τις βίδες στον ισχυρισμό DAMA.
«Δεν μπορούν ακόμα να αποκλείσουν το σήμα DAMA», λέει η Katherine Freese, θεωρητική φυσική στο Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor, η οποία δεν συμμετέχει σε κανένα πείραμα. «Αλλά το συναρπαστικό είναι ότι θα μπορέσουν να το αποκλείσουν». Ή, όπως μπορεί να είναι λιγότερο πιθανό, επιβεβαιώστε το.
Οι αστροφυσικές παρατηρήσεις δείχνουν ότι η αόρατη σκοτεινή ύλη αποτελεί το 85% της συνολικής ύλης. Ο δικός μας γαλαξίας πιστεύεται ότι βρίσκεται μέσα σε ένα τεράστιο σύννεφο από το υλικό. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμα τι είναι η σκοτεινή ύλη. Για δεκαετίες, οι πειραματιστές κυνηγούσαν για σωματίδια του που επιπλέουν, ως επί το πλείστον χωρίς αποτέλεσμα. Για να αναζητήσουν τη σκοτεινή ύλη, οι φυσικοί αναπτύσσουν υπερευαίσθητους ανιχνευτές βαθιά κάτω από το έδαφος, όπου προστατεύονται από τις κοσμικές ακτίνες και άλλες ακτινοβολίες υποβάθρου.
Ωστόσο, από το 1998, η συνεργασία της DAMA ισχυρίζεται ότι έχει δει ακριβώς ένα τέτοιο σήμα. Οι ανιχνευτές της ομάδας αποτελούνται από κρυστάλλους ιωδιούχου νατρίου εμποτισμένους με θάλλιο, οι οποίοι παράγουν λάμψεις φωτός όταν ένα σωματίδιο κάποιου είδους -κανονική ή σκοτεινή ύλη- χτυπά έναν πυρήνα μέσα στο υλικό και το στέλνει να πετάξει. Η ομάδα DAMA έχει δει μια ετήσια διακύμανση στον ρυθμό σύγκρουσης που θα μπορούσε να είναι ένα ισχυρό σημάδι της σκοτεινής ύλης, όπως προέβλεψαν ο Freese και ένας συνάδελφός του το 1986.
Εάν ο Γαλαξίας μας καλύπτεται από σκοτεινή ύλη, τότε καθώς ο ήλιος περιστρέφεται γύρω από το γαλαξιακό κέντρο, θα πρέπει να πέφτει τακτικά σε έναν άνεμο από σωματίδια σκοτεινής ύλης. Επιπλέον, καθώς η Γη κάνει κύκλους γύρω από τον ήλιο, θα πρέπει εναλλάξ να τρέχει μέσα και έξω από αυτόν τον άνεμο, προκαλώντας την αύξηση του ρυθμού των συγκρούσεων της σκοτεινής ύλης και τη μείωση κατά τη διάρκεια του έτους. Εάν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από το αγαπημένο υποψήφιο σωματίδιο των θεωρητικών, που είναι γνωστό ως ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs), το σήμα θα κορυφωθεί τον Ιούνιο και θα φτάσει στο κάτω μέρος τον Δεκέμβριο — ακριβώς αυτό που βλέπει το DAMA.
Αρκετοί άλλοι ανιχνευτές απέτυχαν να δουν το σήμα. Ωστόσο, αυτοί οι ανιχνευτές χρησιμοποιούν βαρύτερα στοιχεία όπως ξένο, πυρίτιο και γερμάνιο για τους πυρήνες-στόχους, λένε οι ερευνητές του DAMA, γεγονός που θα μπορούσε να εξηγήσει τη διαφορά. "Ακόμη και αν λάβουμε αυτά τα αποτελέσματα ως έχουν, λαμβάνοντας υπόψη τις μεγάλες πειραματικές και θεωρητικές αβεβαιότητες θα μπορούσε να υπάρχει χώρος για συμβατότητα", λέει η Rita Bernabei, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης Tor Vergata και επικεφαλής της ομάδας DAMA.
Για να λύσουν τη σύγχυση, οι ερευνητές του COSINE κατασκεύασαν έναν ανιχνευτή που χρησιμοποιεί επίσης κρυστάλλους ιωδιούχου νατρίου με πρόσμειξη θαλλίου. «Μπήκα σε αυτό το πεδίο για να δοκιμάσω το αποτέλεσμα DAMA και εξεπλάγην που δεν το είχαν κάνει άλλοι», λέει η Reina Maruyama, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale και συν-εκπρόσωπος της 50μελούς ομάδας COSINE. Από το 2016, ο ανιχνευτής βάρους 106 κιλών συλλέγει δεδομένα 700 μέτρα κάτω από τη γη στο υπόγειο εργαστήριο Yangyang, στην ανατολική ακτή της Νότιας Κορέας. Και οι πρώτες 59,5 ημέρες δεδομένων του δεν δείχνουν σημάδια σκοτεινής ύλης, αναφέρουν σήμερα ερευνητές του COSINE στο Nature .
Άρα το αποτέλεσμα COSINE nix η αξίωση DAMA; ΟΧΙ ακριβως. Με δεδομένα μόνο 2 μηνών, οι ερευνητές του COSINE δεν μπόρεσαν να αναζητήσουν την ενδεικτική ετήσια διακύμανση, αλλά απλώς αναζήτησαν μια περίσσεια γεγονότων πάνω από το υπόβαθρο που δημιουργήθηκε από την εξωτερική ακτινοβολία. Η έλλειψη υπερβολής αποκλείει την πιθανότητα η DAMA να βλέπει τον απλούστερο τύπο WIMP, λέει ο Maruyama. Αλλά ο Bernabei λέει ότι το τεστ είναι πολύ αδύναμο για να το κάνει αυτό. "Η μοντελοποίηση ενός φόντου είναι μια αρκετά αβέβαιη διαδικασία και σε χαμηλή ενέργεια δεν είναι γενικά αξιόπιστη", λέει.
Ωστόσο, η Freese λέει ότι η απλούστερη έκδοση των WIMP έχει ήδη αποκλειστεί—από τα δεδομένα της DAMA. Το επιχείρημα είναι δύσκολο, αλλά η απλούστερη έκδοση των WIMP υποτίθεται ότι αλληλεπιδρά με τον πυρήνα με έναν ιδιαίτερα απλό τρόπο που δεν εξαρτάται από το σπιν του πυρήνα. Και σε αυτή την περίπτωση, οι κορυφές και οι κοιλάδες στον ετήσιο κύκλο του DAMA θα πρέπει να μετατοπιστούν κατά 6 μήνες για γεγονότα χαμηλότερης ενέργειας, εξηγεί ο Freese. Ωστόσο, τα δεδομένα χαμηλής ενέργειας που παρουσίασε η DAMA νωρίτερα φέτος δείχνουν μια αμετάβλητη ταλάντωση. Το DAMA θα μπορούσε να βλέπει κάποια πιο σύνθετη έκδοση των WIMP ή κάποιο άλλο είδος σωματιδίου σκοτεινής ύλης, λέει ο Freese. Ο Bernabei υποστηρίζει ότι το DAMA θα μπορούσε ακόμα να βλέπει την απλούστερη έκδοση των WIMP.
Όλοι συμφωνούν ότι για να δοκιμάσουν πραγματικά τον ισχυρισμό DAMA, οι ερευνητές του COSINE θα πρέπει να αναζητήσουν τις ίδιες ετήσιες παραλλαγές που βλέπει το DAMA—οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στην εξαγωγή ενός ασθενέστερου σήματος από το παρασκήνιο. Το COSINE έχει ήδη δεδομένα 2 ετών στο κουτί, λέει ο Maruyama, και θα χρειαστούν άλλα 3 χρόνια για να κάνει αυτό το τεστ. Δύο άλλα πειράματα προσπαθούν επίσης να αμφισβητήσουν άμεσα το αποτέλεσμα DAMA με ανιχνευτές ιωδιούχου νατρίου.
Τελικά, όλοι οι φυσικοί ελπίζουν να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη. Έτσι, η Maruyama λέει ότι «θα ήθελε πολύ να αναπαράγει» το σήμα DAMA. Εάν το COSINE δεν μπορεί να το κάνει αυτό, ο Freese λέει, "Μπορεί ποτέ να μην μάθουμε τι δημιούργησε το σήμα DAMA."
*Διόρθωση, 7 Δεκεμβρίου, 11:27 π.μ.: Αυτή η ιστορία έχει διορθωθεί για να σημειωθεί ότι, σύμφωνα με τον Freese, τα αποτελέσματα DAMA δεν συνάδουν μόνο με την απλούστερη έκδοση των WIMP και όχι με όλες τις εκδόσεις του υποθετικού σωματιδίου όπως υπονοήθηκε προηγουμένως.
*Διόρθωση, 10 Δεκεμβρίου, 12:50 μ.μ.: Αυτή η ιστορία έχει αλλάξει για να αντικατοπτρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια την ερμηνεία του Maruyama για τα δεδομένα COSINE-100.
