De observerade (fyllda cirklarna med svart heldragen linje) 90-procentiga uteslutningsgränser för WIMP-nukleoninteraktionen visas med band för den förväntade gränsen förutsatt att enbart bakgrundshypotesen antas. Gränserna utesluter en WIMP-tolkning av DAMA/LIBRA-fas 1 av 3 σ tillåten region (punktkonturer). Gränserna från NAIAD, det enda andra natriumjodidbaserade experimentet som satte en konkurrensgräns, visas i magenta. Kredit:IBS
Astrofysiska bevis tyder på att universum innehåller en stor mängd icke-lysande mörk materia, men ingen säker signal har observerats trots samordnade ansträngningar från många experimentella grupper. Ett undantag är det länge omdebatterade påståendet från DAMA-gruppen om en årlig modulering av händelserna som observerats i deras detektor med användning av natrium-jodidmålmaterial, vilket kan förväntas från svagt interagerande massiva partikelinteraktioner (WIMP) mörk materia. Det nya COSINE-100-experimentet, en underjordisk detektor för mörk materia vid Yangyang Underground Laboratory (Y2L) i Korea börjar utforska detta påstående med samma medium och har nu första resultat som avsevärt utmanar de tolkningar som gjorts av DAMA som har stått i nästan två decennier. Y2L drivs av Center for Underground Physics (CUP) vid Institute for Basic Science (IBS) i Korea.
Pusslet med DAMAs signal, och dess inkonsekvens med resultat från andra experiment, har resulterat i hundratals publikationer. Många nya modeller för att förklara mörk materia har föreslagits som ett resultat och kontroversen är fortfarande av stort vetenskapligt och allmänt intresse.
En kritisk punkt är att COSINE-100 undersöker den påstådda detekteringen av mörk materia av DAMA med samma målmaterial som DAMA och är den första som släpper betydande resultat på detta sätt. I ett papper publicerat i 7734-numret av tidskriften Natur , samarbetet beskriver resultat från den första fasen av arbetet, ett sökande efter den mörka materiens signal genom att leta efter ett överskott av händelser över den förväntade bakgrunden. Denna studie indikerar att det inte finns några sådana händelser i data, bekräftar att DAMA:s årliga moduleringssignal är i stark spänning med resultat från andra experiment under antagandet av den mest traditionella så kallade Standard Halo Model för mörk materia i vår galax som visas i Fig. 1.
"Resultatet av denna sökning är betydande eftersom, för första gången, vi har betydande natriumjodidkristalldetektorer med tillräcklig känslighet för att titta på DAMA-signalområdet. Det har varit i 20 år som det potentiellt betydande påståendet inte har reproducerats med samma kristaller oberoende, " sa COSINE-100 medtalesman och biträdande direktör på CUP, Hyun Su Lee. "De initiala resultaten skär till och med ut en hel del av den möjliga sökregionen för mörk materia som dras av DAMA-signalen. Med andra ord, det finns lite utrymme kvar för detta påstående att vara från interaktionen med mörk materia om inte modellen för mörk materia modifieras avsevärt."
Detektorn är inrymd i ett kapslat arrangemang av skärmningskomponenter som visas i schematisk a). Huvudsyftet med skölden är att ge full täckning mot extern strålning från olika bakgrundskällor. De skärmande komponenterna inkluderar scintillatorpaneler av plast (blå), en hölje av blytegel (grå) och en kopparlåda (rödbrun). De åtta inkapslade natriumjodidkristallenheterna (schematisk c)) är placerade inuti kopparlådan och är nedsänkta i scintillerande vätska, som visas i schematisk b). Kredit:IBS
COSINE-100-samarbetet består av 50 forskare från Korea, USA (med medtalesman professor Reina Maruyama vid Yale University), Storbritannien, Brasilien, och Indonesien. COSINE-100 började ta data 2016. Experimentet använder åtta talliumdopade natriumjodidkristaller med låg bakgrund som är arrangerade i en 4 gånger 2 array, ger en total målmassa på 106 kg. Varje kristall är kopplad till två fotosensorer för att mäta mängden energi som deponeras i kristallen. Natriumjodidkristallenheterna är nedsänkta i 2, 200 L ljusavgivande vätska, vilket möjliggör identifiering och efterföljande minskning av radioaktiva bakgrunder observerade av kristallerna. Vätskescintillatorn är omgiven av koppar, leda, och plastscintillator för att minska bakgrundsbidraget från extern strålning, såväl som kosmiska strålmyoner. Detektorschemat visas i fig. 2.
"Än så länge, vi har ännu inte upptäckt partiklarna av mörk materia i denna sökning, men vi har kommit närmare att testa ursprunget för DAMA-signalen på om detta är från interaktioner med mörk materia eller någon okänd systematisk effekt, " sa Chang Hyon Ha, forskarassistent vid CUP.
Trots de starka bevisen för dess existens, identiteten för mörk materia förblir ett mysterium. Flera års data kommer att behövas för att fullständigt bekräfta eller motbevisa DAMAs årliga moduleringsresultat. Förbättrad teoretisk förståelse och mer data från den uppgraderade COSINE-detektorn (COSINE-200) hjälper till att förstå signalens mysterium. För att hjälpa till att uppnå detta mål, CUP bygger för närvarande en ny experimentplats på en djupare och rymligare plats, kallas Yemi Laboratory i Jeongseon County. COSINE-100 samlar för närvarande in data med kontinuerlig förbättring av förståelsen av detektorn. Yeongduk Kim, Hyun Su Lee, Reina Maruyama, och Neil Spooner skapade experimentet COSINE-100.