I verden af mørk stofforskning, ligesom i en Kina-butik, er der en elefant: en påstand, der er svær at tro, umulig at bekræfte og overraskende vanskelig at forklare. Men nu har vi fire instrumenter med samme type detektor som det samarbejde, der ejer denne kontroversielle påstand. I løbet af de næste tre år vil disse eksperimenter enten bekræfte eksistensen af mørkt stof eller modbevise påstanden en gang for alle, siger fysikerne, der arbejder med dem.
”Alt fungerer,” siger Frank Kalaprice fra Princeton University i New Jersey, der leder en af eksperimenterne.
Den første meddelelse blev foretaget af DAMA-samarbejdet, hvis detektor er placeret i et laboratorium dybt under bjergkæden Gran Sasso øst for Rom. For mere end et årti siden fremlagde hun forbløffende bevis for mørkt stof, et usynligt stof, der antages at binde galakser sammen ved dens tyngdekraft. Den første af de nye detektorer starter i Sydkorea om blot et par uger. Resten lanceres i de næste par år i Spanien, Australien og Gran Sasso. Alle af dem vil bruge natriumjodidkrystaller til at søge efter mørkt stof, hvilket intet større eksperiment har gjort undtagen for DAMA.
Forskere er meget sikre på eksistensen af mørk stof, og at det er mindst fem gange større end normalt stof. Men dens natur forbliver mystisk. Den førende hypotese er, at i det mindste en del af dens masse består af svagt interagerende partikler (WIMP'er), som lejlighedsvis skal kollidere med atomkerner på Jorden.
Natriumiodidkrystaller bør udsende en lysglimt, hvis dette sker i detektoren. Mens naturlig radioaktivitet også producerer sådanne blusser, annoncerede DAMA opdagelsen af WIMP'er tilbage i 1998, med henvisning til det faktum, at antallet af producerede fakler pr. Dag svingede med årstiderne.
Dette er, hvad man kunne forvente, hvis signalet genereres af WIMP'er, der spilder ud på Jorden, når solsystemet bevæger sig gennem Mørkevejens mørke stof. I dette tilfælde bør antallet af partikler, der krydser Jorden, nå et højdepunkt, når planetens orbitalbevægelse stemmer overens med solens bevægelse, i begyndelsen af juni, og falder, når bevægelsen går mod solen, i begyndelsen af december.
Men der er et stort problem.”Hvis det var virkelig mørk stof, ville mange andre eksperimenter have set det nu,” siger Thomas Schwetz-Mangold, en teoretisk fysiker ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland - og ingen har set det endnu. Men på samme tid har alle forsøg på at finde svagheder i DAMA-eksperimentet, herunder miljøeffekter, som forskere ikke tog højde for, ikke været succesrige. "Der er et moduleringssignal," siger Kaijuan Ni fra University of California, San Diego, der arbejder på XENON1T-mørkstofeksperimentet. "Men hvordan man fortolker dette signal - til fordel for mørkt stof eller noget andet - er ikke klart."
Intet andet fuldskala-eksperiment anvendte natriumiodid i detektoren, selvom KIMS i Sydkorea brugte cæsiumiodid. Således forbliver muligheden for, at mørkt stof interagerer med natrium på en eller anden måde anderledes end med andre elementer. "Indtil nogen fyrer på en detektor på det samme element, der forlod antydningen, kan du ikke være sikker på noget," siger Juan Collar fra University of Chicago i Illinois, der har arbejdet med adskillige eksperimenter med mørk stof.
Salgsfremmende video:
Mange har været udsat for vanskelighederne med at dyrke natriumiodidkrystaller med den krævede renhed. Kaliumforurening, der har en naturligt forekommende radioaktiv isotop, skiller sig også ud.
Men tre hold af forskere - KIMS, DM-Ice fra Yale University i New Haven og ANAIS fra University of Zaragoza i Spanien - formåede at opnå krystaller med et baggrundsniveau af radioaktivitet halvt DAMA's niveau. Det er rent nok til at teste hendes resultater, siger forskere.
Forskere fra KIMS og DM-Ice har bygget en natriumjodid-detektor i forbindelse med Yangyang-undergrundslaboratoriet, 160 kilometer øst for Seoul. Værktøjet bruger en “aktiv veto” -sensor, der bedre kan skelne mørkt stof fra baggrundsstøj end DAMA, siger Yengduk Kim, direktør for Sydkoreas Center for Underground Physics i Daejeon, der driver KIMS.
ANAIS bygger en lignende detektor ved undergrundslaboratoriet Canfranc i de spanske Pyrenæer. Sammen vil KIMS, DM-Ice og ANAIS overføre 200 kg natriumiodid og udveksle data. Sammenlignet med de 250 kg, som DAMA havde, forventer forskerne at fange et lignende antal WIMP'er. Og mens de nye detektorer vil have højere niveauer af baggrundsstøj, vil de være i stand til enten at forfalde eller gengive det stærkeste DAMA-signal, siger Reina Maruyama fra Yale University, der driver DM-Ice.
Men Kalapris hævder, at høj renhed er vigtigere end masse. Sammen med kolleger udviklede han en måde at reducere forurening og annoncerede i januar modtagelsen af krystaller, der er renere end DAMA-krystaller. Han håber at reducere baggrundsniveauet yderligere ned til en tiendedel af DAMA.
Hans SABER-projekt (Active Background Rejection Sodium Iodide) vil rumme en detektor i Gran Sasso og en anden i Stowell Underground Physics Laboratory, der er ved at blive bygget i en guldgruve i Victoria, Australien. SABER vil bruge en detektor, der adskiller det mørke stofsignal fra støjen og vejer ca. 50 kg.
SABER vil afslutte sin forskning og udvikling om cirka et år og begynde at bygge detektorer kort derefter, siger Kalapris. Derefter vil teknologien blive tilgængelig for andre laboratorier - noget DAMA ikke gjorde. Og hvis du har to identiske detektorer i den nordlige og den sydlige halvkugle, kan du forstå, om miljøeffekter kunne forfalde sæsonbestemtheden af mørkt stof i DAMA-resultaterne - hvis signalet kom fra WIMP'er, vil begge detektorer se toppe på samme tid.
DAMA er meget tillid til sine resultater, siger Rita Bernabei fra Universitetet i Rom. Hun er ikke særlig begejstret for den kommende lancering af natriumjodiddetektorer.”Vores resultater er blevet valideret mange gange over 14 år, så vi har ingen grund til at se frem til at se, hvad andre vil gøre,” siger hun. Hvis andre eksperimenter ikke ser de årlige modulationer, vil samarbejdet blot bestemme, at de ikke var følsomme nok.
Men hvad hvis DAMA-forskerne har ret?”Til at begynde med ønskede jeg ikke at tro på DAMA-resultaterne, jeg tog ikke engang dem alvorligt,” siger Catherine Freese, en astro-partikel-teoretiker ved University of Michigan i Ann Arbor, som foreslog DAMAs sæsonmoduleringsmetode. Men da ingen anden forklaring på deres signal blev fundet, blev hun beroliget. "Jo mere en person studerer deres eksperiment, jo mere er han klar over, hvor godt det gøres."
Ilya Khel