För nästan 20 år sedan, DAMA/LIBRA-experimentet vid Italiens Gran Sasso National Laboratory—LNGS började publicera data som visade att det hade upptäckt en signalmodulering producerad av en interaktion med Vintergatans mörka materia-halo.

Mörk materia tros utgöra cirka 27 procent av det kända universum, med vanliga materia som endast utgör 4 procent. De återstående 69 procenten tros bestå av mörk energi. Eftersom mörk materia interagerar svagt med normal materia, dess närvaro har hittills endast härletts från gravitationseffekter på synliga kroppar som stjärnor, galaxer och galaxhopar.

Enligt den mest accepterade modellen, jordens kombinerade rörelse, solen och själva galaxen resulterar i en mörk materiavind för en observatör på jorden – mer specifikt, en vind av svagt interagerande massiva partiklar eller WIMPs, hypotetiska partiklar som tros utgöra mörk materia.

Under jordens årliga bana runt solen, signaler från detektorns interaktion med WIMPs ökar när planeten rör sig i motsatt riktning mot vinden och minskar när de båda rör sig i samma riktning. Fluktuationen har en cosinusform.

DAMA/LIBRA-personal uppger att de har detekterat signaler med hastigheter som varierar beroende på en cosinusvåg under året och att de motsvarar en signatur av mörk materia. Problemet är att ingen sådan signatur har bekräftats av några andra experiment sedan detta först tillkännagavs. Det bör betonas att andra experiment använder olika material och analytiska tekniker.

För att kontrollera diskrepansen mellan DAMA/LIBRAs data och data från andra experiment och för att leta efter robusta bevis på mörk materia, COSINE-100 byggdes 700 meter under jorden vid Yangyang Underground Laboratory—Y2L i Sydkorea.

En artikel som presenterar resultaten av de första 59,5 dagarna med data från COSINE-100 publicerades i december 2018 i tidskriften Natur .

Nelson Carlin Filho, Professor vid University of São Paulos Physics Institute (IF-USP) och två handledare utgör det brasilianska deltagandet i det internationella samarbetet COSINE-100. "Resultaten av de första 59,5 dagarna av COSINE-100 kunde inte bekräfta data från DAMA/LIBRA. De erhållna resultaten motsvarar inte en signatur av WIMPs, " sa han. Carlin betonade att detta negativa fynd är särskilt viktigt eftersom både DAMA/LIBRA och COSINE-100 använder detektorer gjorda av natriumjodid (Nal) kristaller. "Det är det första publicerade fyndet för en detektor som består av detta material med tillräcklig storlek och känslighet för att undersöka DAMA/LIBRA-signalregionen, " han sa.

"Vi säger inte att forskarna vid DAMA/LIBRA hade fel. De kan ha fångat en periodisk modulering i faktiska signaler. Men, om inte modellen för mörk materia är väsentligt modifierad, signalerna är högst osannolikt att tillskrivas interaktioner med WIMPs. I vilket fall som helst, vårt arbete har bara börjat. Flera år av data kommer att behövas innan den årliga moduleringen som DAMA/LIBRA hävdar kan bekräftas eller motbevisas totalt."

COSINE-100-detektorn består av åtta talliumdopade natriumjodidkristaller med en total massa på 106 kg. Varje kristall är kopplad till två fotomultiplikatorrör för att mäta mängden energi som avsatts i kristallen. Hela arrayen är nedsänkt i 2, 200 liter flytande scintillator och omgiven av koppar, bly och plast scintillatorpaneler.

Poängen med all denna avskärmning – såväl som beslutet att installera detektorn 700 meter under jord – är att minska störningar orsakade av kosmiska strålar (myoner), kosmisk bakgrundsstrålning (fotoner som finns kvar från det ursprungliga universum, detekteras i mikrovågsbandet), och partiklar som emitteras av de material som detektorn är gjord av.

"Sannolikheten att observera interaktioner mellan mörk materia partiklar och detektormaterialet är liten. Förutom avskärmning, det är viktigt att analysera formen på signalerna för att utesluta bakgrundsbidrag, sa Carlin.

Baserat på en mycket sofistikerad statistisk behandling med standardmodellen för den mörka materiens halo, med Monte Carlo-simuleringar och andra resurser, COSINE-100 definierade en kurva som betraktades som "uteslutningsgränsen" för interaktioner mellan WIMPs och kärnorna i detektormaterialet.

Denna gräns bekräftade och finjusterade gränserna som fastställts av tidigare experiment. Kurvan plottades med användning av ett tvådimensionellt kartesiskt koordinatsystem. WIMP-nukleonspridningstvärsnitten visas på Y-axeln, förenklat representerar sannolikheten för interaktioner, medan WIMP-massan visas på X-axeln.

Varje händelse vars koordinater kan ritas under uteslutningsgränsen är en kandidat-WIMP-nukleoninteraktion. Varje händelse som ligger ovanför den uppfyller inte de nödvändiga villkoren för en interaktion i enlighet med modellen.

"DAMA/LIBRA-signalerna ligger över uteslutningsgränsen. Observera att förutom att använda detektorer gjorda av samma material som DAMA/LIBRA [natriumjodidkristaller], COSINE-100 använde också liknande händelsevalstekniker. Detta minimerade skillnader i resultat på grund av skillnader i experimenten. Vi hittade inte mörk materia och vi upptäckte att DAMA/LIBRA-måtten inte överensstämmer med standardmodellen för mörk materia-halo, sa Carlin.

Teorier om mörk materia

Det finns nu en bred konsensus i forskarsamhället om att mörk materia existerar. Det första beviset hittades 1933 i studier av galaktiska rotationshastigheter av den schweiziska astronomen Fritz Zwicky (1898-1974).

Zwicky insåg att de galaktiska rotationshastigheterna var snabbare än de borde ha varit enligt den observerade ljusmassan och föreslog att gravitationsbidraget från en annan typ av materia, som han kallade "dunkle materie" ("mörk materia" på tyska), måste påverka dessa hastigheter.

På 1970-talet Den amerikanska astronomen Vera Rubin (1928-2016) bekräftade Zwickys hypotes i en systematisk studie av galaktiska rotationshastigheter. Rubins rigorösa beräkningar, bekräftas av efterföljande forskning, visade att de berörda galaxerna måste innehålla minst fem till tio gånger mer mörk materia än normal materia.

I dag, baserat på galaktiska rotationshastigheter och andra bevis som gravitationslinser, Första förslaget av Einstein, och bakgrundsmikrovågsstrålningen, de accepterade proportionerna för universums sammansättning är cirka 4 procent normal materia, 27 procent mörk materia och 69 procent mörk energi.

Om förekomsten av mörk materia är allmänt accepterad; poängen nu är att bestämma vad den är gjord av. Den WIMP-baserade modellen är fortfarande den mest accepterade modellen. Sådana partiklar tros interagera med normal materia endast genom gravitation och den svaga kärnkraften. Det är förmodligen därför de inte har upptäckts konsekvent. Misslyckandet med att upptäcka WIMPs har fått forskare att föreslå alternativ som axioner och mörka fotoner.

"Det finns inget som hindrar mörk materia från att bestå av flera olika element, ", sa Carlin. "En hel del arbete återstår att göra. I vårat fall, COSINE-100 tar fortfarande sina första steg. Nästa steg, vilket är mycket viktigt, är att försöka reproducera den årliga moduleringen eller bevisa att den inte kan reproduceras. Detta pågår faktiskt just nu. Vi förbereder också fas två av experimentet, COSINE-200, med 200 kg kristaller, ska installeras på en annan plats i Sydkorea."