Bijna 20 jaar geleden, het DAMA/LIBRA-experiment in het Italiaanse Gran Sasso National Laboratory - LNGS begon met het publiceren van gegevens waaruit bleek dat het een signaalmodulatie had gedetecteerd die werd geproduceerd door een interactie met de halo van donkere materie in de Melkweg.

Er wordt aangenomen dat donkere materie ongeveer 27 procent van het bekende universum uitmaakt, met gewone materie goed voor slechts 4 procent. De resterende 69 procent zou uit donkere energie bestaan. Omdat donkere materie een zwakke wisselwerking heeft met normale materie, zijn aanwezigheid is tot dusver alleen afgeleid uit zwaartekrachtseffecten op zichtbare lichamen zoals sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.

Volgens het meest algemeen aanvaarde model, de gecombineerde beweging van de aarde, de zon en de melkweg zelf resulteren in een wind van donkere materie voor een waarnemer op aarde - meer specifiek, een wind van zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes of WIMP's, hypothetische deeltjes waarvan wordt gedacht dat ze donkere materie vormen.

Tijdens de jaarlijkse baan van de aarde om de zon, signalen van de interactie van de detector met WIMP's nemen toe wanneer de planeet in de tegenovergestelde richting van de wind beweegt en nemen af ​​wanneer ze beide in dezelfde richting bewegen. De fluctuatie heeft een cosinusvorm.

DAMA/LIBRA-personeel stelt dat het signalen heeft gedetecteerd met snelheden die variëren volgens een cosinusgolf gedurende het jaar en dat ze overeenkomen met een handtekening van donkere materie. Het probleem is dat een dergelijke handtekening niet is bevestigd door andere experimenten sinds dit voor het eerst werd aangekondigd. Benadrukt moet worden dat andere experimenten andere materialen en analytische technieken gebruiken.

Om de discrepantie tussen de gegevens van DAMA/LIBRA en de gegevens van andere experimenten te controleren en om robuust bewijs van donkere materie te zoeken, COSINE-100 werd 700 meter onder de grond gebouwd in het Yangyang Underground Laboratory-Y2L in Zuid-Korea.

Een artikel met de resultaten van de eerste 59,5 dagen aan gegevens van COSINE-100 werd in december 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Nelson Carlin Filho, Professor aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo en twee supervisanten vormen de Braziliaanse deelname aan de internationale samenwerking COSINE-100. "De resultaten van de eerste 59,5 dagen van COSINE-100 konden de gegevens van DAMA/LIBRA niet bevestigen. De verkregen resultaten komen niet overeen met een handtekening van WIMP's, " zei hij. Carlin benadrukte dat deze negatieve bevinding bijzonder belangrijk is omdat zowel DAMA / LIBRA als COSINE-100 detectoren gebruiken die zijn gemaakt van natriumjodide (Nal) -kristallen. "Het is de eerste gepubliceerde bevinding voor een detector die dit materiaal bevat met voldoende grootte en gevoeligheid om het DAMA/LIBRA-signaalgebied te onderzoeken, " hij zei.

"We zeggen niet dat de onderzoekers van DAMA/LIBRA het bij het verkeerde eind hadden. Ze hebben misschien een periodieke modulatie in werkelijke signalen vastgelegd. tenzij het donkere-materiemodel aanzienlijk wordt gewijzigd, het is hoogst onwaarschijnlijk dat de signalen worden toegeschreven aan interacties met WIMP's. In ieder geval, ons werk is nog maar net begonnen. Er zijn meerdere jaren aan gegevens nodig voordat de door DAMA/LIBRA geclaimde jaarlijkse modulatie volledig kan worden bevestigd of weerlegd."

De COSINE-100-detector bestaat uit acht met thallium gedoteerde natriumjodidekristallen met een totale massa van 106 kg. Elk kristal is gekoppeld aan twee fotomultiplicatorbuizen om de hoeveelheid energie te meten die in het kristal is afgezet. De hele array is ondergedompeld in 2, 200 liter vloeibare scintillator en omgeven door koper, scintillatorpanelen van lood en kunststof.

Het doel van al deze afscherming - evenals het besluit om de detector 700 meter onder de grond te installeren - is het verminderen van verstoringen veroorzaakt door kosmische straling (muonen), kosmische achtergrondstraling (fotonen die overblijven uit het oeruniversum, gedetecteerd in de microgolfband), en deeltjes die worden uitgezonden door de materialen waarvan de detector is gemaakt.

"De kans om interacties tussen donkere materiedeeltjes en het detectormateriaal waar te nemen is klein. Afgezien van afscherming, het is belangrijk om de vorm van de signalen te analyseren om achtergrondbijdragen uit te sluiten, ' zei Carlijn.

Gebaseerd op een zeer geavanceerde statistische behandeling met behulp van het standaardmodel voor de halo van donkere materie, met Monte Carlo-simulaties en andere bronnen, COSINE-100 definieerde een curve die wordt beschouwd als de "uitsluitingslimiet" voor interacties tussen WIMP's en de kernen in het detectormateriaal.

Deze limiet bevestigde en verfijnde de limieten die waren vastgesteld door eerdere experimenten. De curve werd uitgezet met behulp van een tweedimensionaal Cartesiaans coördinatensysteem. De doorsneden van de WIMP-nucleonverstrooiing zijn weergegeven op de Y-as, simplistisch de waarschijnlijkheid van interacties weergeven, terwijl de WIMP-massa op de X-as wordt weergegeven.

Elke gebeurtenis waarvan de coördinaten onder de uitsluitingslimiet kunnen worden uitgezet, is een kandidaat-WIMP-nucleon-interactie. Elke gebeurtenis die zich daarboven bevindt, voldoet niet aan de noodzakelijke voorwaarden voor een interactie volgens het model.

"De DAMA/LIBRA-signalen liggen boven de uitsluitingslimiet. Merk op dat naast het gebruik van detectoren gemaakt van hetzelfde materiaal als DAMA/LIBRA [natriumjodidekristallen], COSINE-100 gebruikte ook vergelijkbare technieken voor het selecteren van evenementen. Dit minimaliseerde verschillen in resultaten als gevolg van verschillen in de experimenten. We hebben geen donkere materie gevonden en we ontdekten dat de DAMA/LIBRA-metingen niet consistent zijn met het standaardmodel voor de halo van donkere materie, ' zei Carlijn.

Theorieën over donkere materie

Er is nu een brede consensus in de wetenschappelijke gemeenschap dat donkere materie bestaat. Het eerste bewijs werd gevonden in 1933 in studies van galactische rotatiesnelheden door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky (1898-1974).

Zwicky realiseerde zich dat galactische rotatiesnelheden sneller waren dan ze hadden moeten zijn volgens de waargenomen lichtmassa en stelde voor dat de zwaartekrachtbijdrage van een ander soort materie, die hij "dunkle material" ("donkere materie" in het Duits) noemde, moet deze snelheden beïnvloeden.

In de jaren zeventig, De Amerikaanse astronoom Vera Rubin (1928-2016) bevestigde de hypothese van Zwicky in een systematische studie van galactische rotatiesnelheden. Rubin's rigoureuze berekeningen, bevestigd door later onderzoek, toonde aan dat de betreffende sterrenstelsels minstens vijf tot tien keer meer donkere materie moeten bevatten dan normale materie.

Vandaag, gebaseerd op galactische rotatiesnelheden en ander bewijs zoals zwaartekrachtlensing, eerst voorgesteld door Einstein, en de achtergrond microgolfstraling, de geaccepteerde verhoudingen voor de samenstelling van het heelal zijn ongeveer 4 procent normale materie, 27 procent donkere materie en 69 procent donkere energie.

Als het bestaan ​​van donkere materie algemeen wordt aanvaard; het gaat er nu om te bepalen waar het van gemaakt is. Het op WIMP gebaseerde model is nog steeds het meest geaccepteerde model. Van dergelijke deeltjes wordt aangenomen dat ze alleen interageren met normale materie door zwaartekracht en de zwakke kernkracht. Dit is vermoedelijk de reden waarom ze niet consequent zijn gedetecteerd. Het onvermogen om WIMP's te detecteren, heeft ertoe geleid dat wetenschappers alternatieven hebben voorgesteld, zoals axionen en donkere fotonen.

"Er is niets dat verhindert dat donkere materie uit verschillende elementen bestaat, ' zei Carlin. 'Er moet nog veel werk worden verzet. In ons geval, COSINE-100 zet nog steeds de eerste stappen. De volgende stap, wat erg belangrijk is, is om te proberen de jaarlijkse modulatie te reproduceren of te bewijzen dat deze niet kan worden gereproduceerd. Dit is nu echt aan de gang. We bereiden ook fase twee van het experiment voor, COSINE-200, met 200 kg kristallen, op een andere locatie in Zuid-Korea worden geïnstalleerd."