COSINE-100-eksperimentet undersøger mysteriet med mørkt stof

Astrofysiske beviser tyder på, at universet indeholder en stor mængde ikke-lysende mørkt stof, men der er ikke observeret noget bestemt signal på trods af en samordnet indsats fra mange eksperimentelle grupper. En undtagelse er den længe omdiskuterede påstand fra DAMA-gruppen om en årlig modulering af hændelser observeret i deres detektor ved brug af natrium-iodid-målmateriale, som man kunne forvente fra svagt interagerende massive partikel-interaktioner (WIMP) mørkt stof. Det nye COSINE-100 eksperiment, en underjordisk detektor for mørkt stof ved Yangyang Underground Laboratory (Y2L) i Korea er begyndt at udforske denne påstand ved hjælp af det samme medium og har nu de første resultater, der markant udfordrer DAMA's fortolkninger, som har stået i næsten to årtier. Y2L drives af Center for Underground Physics (CUP) fra Institute for Basic Science (IBS) i Korea.

Puslespillet om DAMAs signal, og dets uoverensstemmelser med resultater fra andre eksperimenter, har resulteret i hundredvis af publikationer. Mange nye modeller til at forklare mørkt stof er blevet foreslået som et resultat, og kontroversen er fortsat af stor videnskabelig og offentlig interesse.

Et kritisk punkt er, at COSINE-100 undersøger den påståede påvisning af mørkt stof af DAMA ved hjælp af det samme målmateriale som DAMA og er den første til at frigive signifikante resultater på denne måde. I et papir offentliggjort i 7734-udgaven af ​​tidsskriftet Natur , samarbejdet beskriver resultater fra første fase af arbejdet, en søgen efter det mørke stof-signal ved at lede efter et overskud af begivenheder over den forventede baggrund. Denne undersøgelse indikerer, at der ikke er sådanne hændelser til stede i dataene, bekræfter, at DAMAs årlige modulationssignal er i alvorlig spænding med resultater fra andre eksperimenter under antagelsen om den mest traditionelle såkaldte Standard Halo Model for mørkt stof i vores galakse som vist i Fig. 1.

"Resultatet af denne søgning er vigtigt, fordi for første gang, vi har betydelige natrium-iodid krystaldetektorer med tilstrækkelig følsomhed til at se på DAMA-signalområdet. Det har været i 20 år, at den potentielt betydelige påstand ikke er blevet gengivet ved hjælp af de samme krystaller uafhængigt, " sagde COSINE-100 medtalsmand og associeret direktør ved CUP, Hyun Su Lee. "De indledende resultater udskærer endda en rimelig del af den mulige søgeregion for mørkt stof tegnet af DAMA-signalet. Med andre ord, der er lidt plads tilbage til, at denne påstand kommer fra interaktionen med mørkt stof, medmindre modellen med mørkt stof er væsentligt modificeret."

COSINE-100-samarbejdet består af 50 videnskabsmænd fra Korea, USA (med medtalsmand professor Reina Maruyama ved Yale University), Det Forenede Kongerige, Brasilien, og Indonesien. COSINE-100 begyndte at tage data i 2016. Eksperimentet anvender otte thallium-doterede natriumiodidkrystaller med lav baggrund, der er arrangeret i et 4 gange 2 array, giver en samlet målmasse på 106 kg. Hver krystal er koblet til to fotosensorer for at måle mængden af ​​energi aflejret i krystallen. Natriumiodid krystal samlingerne er nedsænket i 2, 200 l lysemitterende væske, som muliggør identifikation og efterfølgende reduktion af radioaktiv baggrund observeret af krystallerne. Væskescintillatoren er omgivet af kobber, at føre, og plastscintillator for at reducere baggrundsbidraget fra ekstern stråling, samt kosmiske stråle-muoner. Detektorskemaet er vist i fig. 2.

"Indtil nu, vi har endnu ikke opdaget partiklerne af mørkt stof i denne søgning, men vi er kommet tættere på at teste oprindelsen af ​​DAMA-signalet på, om dette er fra mørkt stof-interaktioner eller en ukendt systematisk effekt, " sagde Chang Hyon Ha, stipendiat ved CUP.

På trods af de stærke beviser for dens eksistens, identiteten af ​​mørkt stof forbliver et mysterium. Flere års data vil være nødvendige for fuldt ud at bekræfte eller afkræfte DAMAs årlige moduleringsresultater. Forbedret teoretisk forståelse og flere data fra den opgraderede COSINE-detektor (COSINE-200) vil hjælpe med at forstå mysteriet bag signalet. For at hjælpe med at nå dette mål, CUP er i øjeblikket ved at opføre et nyt forsøgssted i en dybere og mere rummelig placering, kaldet Yemi Laboratory i Jeongseon County. COSINE-100 indsamler i øjeblikket data med løbende forbedring af forståelsen af ​​detektoren. Yeongduk Kim, Hyun Su Lee, Reina Maruyama, og Neil Spooner udtænkte COSINE-100 eksperimentet.