Den nye detektor bekræfter ikke et bevis på mørkt stof

For næsten 20 år siden, DAMA/LIBRA-eksperimentet ved Italiens Gran Sasso National Laboratory—LNGS begyndte at offentliggøre data, der viste, at det havde detekteret en signalmodulation produceret af en interaktion med Mælkevejens mørkstof-halo.

Mørkt stof menes at udgøre cirka 27 procent af det kendte univers, med almindeligt stof, der kun udgør 4 pct. De resterende 69 procent menes at bestå af mørk energi. Fordi mørkt stof interagerer svagt med normalt stof, dens tilstedeværelse er hidtil kun blevet udledt af gravitationseffekter på synlige legemer såsom stjerner, galakser og galaksehobe.

Ifølge den mest anerkendte model, jordens kombinerede bevægelse, solen og selve galaksen resulterer i en mørk stofvind for en observatør på Jorden – mere specifikt, en vind af svagt interagerende massive partikler eller WIMP'er, hypotetiske partikler, der menes at udgøre mørkt stof.

Under Jordens årlige kredsløb om solen, signaler fra detektorens interaktion med WIMP'er stiger, når planeten bevæger sig i den modsatte retning af vinden og falder, når de begge bevæger sig i samme retning. Udsvinget har en cosinusform.

DAMA/LIBRA-personale oplyser, at de har detekteret signaler med hastigheder, der varierer afhængigt af en cosinusbølge i løbet af året, og at de svarer til en mørk stofsignatur. Problemet er, at ingen sådan signatur er blevet bekræftet af andre eksperimenter, siden dette først blev annonceret. Det skal understreges, at andre eksperimenter bruger andre materialer og analytiske teknikker.

For at kontrollere uoverensstemmelsen mellem DAMA/LIBRAs data og data fra andre eksperimenter og for at lede efter robuste beviser for mørkt stof, COSINE-100 blev bygget 700 meter under jorden ved Yangyang Underground Laboratory-Y2L i Sydkorea.

En artikel, der præsenterer resultaterne af de første 59,5 dages data fra COSINE-100, blev offentliggjort i december 2018 i tidsskriftet Natur .

Nelson Carlin Filho, Professor ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) og to superviserede udgør den brasilianske deltagelse i det internationale COSINE-100-samarbejde. "Resultaterne af de første 59,5 dage af COSINE-100 kunne ikke bekræfte dataene fra DAMA/LIBRA. De opnåede resultater svarer ikke til en signatur af WIMP'er, " sagde han. Carlin understregede, at dette negative fund er særligt vigtigt, fordi både DAMA/LIBRA og COSINE-100 bruger detektorer lavet af natriumiodid (Nal) krystaller. "Det er det første offentliggjorte fund for en detektor, der består af dette materiale med tilstrækkelig størrelse og følsomhed. at undersøge DAMA/LIBRA-signalregionen, " han sagde.

"Vi siger ikke, at forskerne ved DAMA/LIBRA tog fejl. De kan have fanget en periodisk modulation i faktiske signaler. Men, medmindre mørkestofmodellen er væsentligt modificeret, Det er højst usandsynligt, at signalerne tilskrives interaktioner med WIMP'er. Under alle omstændigheder, vores arbejde er kun lige begyndt. Flere års data vil være nødvendige, før den årlige modulering, som DAMA/LIBRA hævder, kan bekræftes eller afkræftes fuldstændigt."

COSINE-100-detektoren består af otte thallium-doterede natriumiodidkrystaller med en samlet masse på 106 kg. Hver krystal er koblet til to fotomultiplikatorrør for at måle mængden af ​​energi aflejret i krystallen. Hele arrayet er nedsænket i 2, 200 liter flydende scintillator og omgivet af kobber, bly- og plastscintillatorpaneler.

Pointen med al denne afskærmning – såvel som beslutningen om at installere detektoren 700 meter under jorden – er at reducere forstyrrelser forårsaget af kosmiske stråler (myoner), kosmisk baggrundsstråling (fotoner tilbage fra det oprindelige univers, registreret i mikrobølgebåndet), og partikler udsendt af de materialer, som detektoren er lavet af.

"Sandsynligheden for at observere interaktioner mellem mørkt stof partikler og detektormaterialet er lille. Bortset fra afskærmning, det er vigtigt at analysere formen af ​​signalerne for at udelukke baggrundsbidrag, " sagde Carlin.

Baseret på en meget sofistikeret statistisk behandling ved hjælp af standardmodellen for mørk stof-halo, med Monte Carlo-simuleringer og andre ressourcer, COSINE-100 definerede en kurve, der betragtes som "udelukkelsesgrænsen" for interaktioner mellem WIMP'er og kernerne i detektormaterialet.

Denne grænse bekræftede og finjusterede grænserne fastsat af tidligere eksperimenter. Kurven blev plottet ved hjælp af et todimensionalt kartesisk koordinatsystem. WIMP-nukleonspredningstværsnittene er vist på Y-aksen, forenklet repræsenterer sandsynligheden for interaktioner, mens WIMP-massen er vist på X-aksen.

Enhver hændelse, hvis koordinater kan plottes under udelukkelsesgrænsen, er en kandidat WIMP-nukleon-interaktion. Enhver hændelse placeret over den opfylder ikke de nødvendige betingelser for en interaktion i overensstemmelse med modellen.

"DAMA/LIBRA-signalerne er over udelukkelsesgrænsen. Bemærk, at ud over at bruge detektorer lavet af samme materiale som DAMA/LIBRA [natriumiodidkrystaller], COSINE-100 brugte også lignende hændelsesvalgsteknikker. Dette minimerede uoverensstemmelser i resultater på grund af forskelle i eksperimenterne. Vi fandt ikke mørkt stof, og vi opdagede, at DAMA/LIBRA-målingerne ikke er i overensstemmelse med standardmodellen for mørk stof-haloen, sagde Carlin.

Teorier om mørkt stof

Der er nu bred konsensus i det videnskabelige samfund om, at mørkt stof eksisterer. Det første bevis blev fundet i 1933 i studier af galaktiske rotationshastigheder af den schweiziske astronom Fritz Zwicky (1898-1974).

Zwicky indså, at de galaktiske rotationshastigheder var hurtigere, end de burde have været ifølge den observerede lysende masse og foreslog, at gravitationsbidraget fra en anden slags stof, som han kaldte "dunkle materie" ("mørk stof" på tysk), må have indflydelse på disse hastigheder.

I 1970'erne, Den amerikanske astronom Vera Rubin (1928-2016) bekræftede Zwickys hypotese i et systematisk studie af galaktiske rotationshastigheder. Rubins strenge beregninger, bekræftet af efterfølgende forskning, viste, at de pågældende galakser skal indeholde mindst fem til 10 gange mere mørkt stof end normalt stof.

I dag, baseret på galaktiske rotationshastigheder og andre beviser såsom gravitationslinser, først foreslået af Einstein, og baggrundsmikrobølgestrålingen, de accepterede proportioner for universets sammensætning er cirka 4 procent normalt stof, 27 procent mørkt stof og 69 procent mørk energi.

Hvis eksistensen af ​​mørkt stof er bredt accepteret; pointen er nu at bestemme, hvad den er lavet af. Den WIMP-baserede model er stadig den mest accepterede model. Sådanne partikler menes kun at interagere med normalt stof gennem tyngdekraften og den svage kernekraft. Det er formodentlig derfor, de ikke konsekvent er blevet opdaget. Manglen på at opdage WIMP'er har fået videnskabsmænd til at foreslå alternativer såsom aksioner og mørke fotoner.

"Der er intet til hinder for, at mørkt stof består af flere forskellige elementer, " sagde Carlin. "En hel del arbejde mangler at blive gjort. I vores tilfælde, COSINE-100 tager stadig sine første skridt. Det næste skridt, hvilket er meget vigtigt, er at forsøge at reproducere den årlige modulation eller bevise, at den ikke kan reproduceres. Dette er faktisk i gang lige nu. Vi er også ved at forberede fase to af eksperimentet, COSINE-200, med 200 kg krystaller, skal installeres på et andet sted i Sydkorea."