Италианският експеримент DAMA/LIBRA обяви за детектирането на частици
на тъмната материя. Специалистите не се съмняват в непосредствените
експериментални данни, но с тяхната интерпретация далеч не всички са
съгласни.
Предистория
Астрофизическите данни показват, че преобладаващата част от веществото във Вселената съществува под формата на тъмна материя. Наричат я «тъмна», защото не се «вижда» нито в радиовълновия диапазон, нито топлинното и излъчване, нито в оптическия, ултравиолетовия или рентгеновия диапазони. Нейното наличие се забелязва само чрез гравитационното и въздействие на видимата материя – междузвездния газ, звездите и галактиките.
Засега не е
известно от какво точно се състои тъмната материя, но астрофизиците
предполагат, че главния и компонент са някакви тежки частици, които
много слабо взаимодействат с обикновеното вещество, наречени WIMP —
weakly interacting massive particles. Те образуват огромен облак около
всяка галактика, включително и около нашия Млечен път. Слънчевата
система, движейки се през този газ от WIMP би трябвало да усеща
насрещен «вятър», а доколкото Земята в допълнение към това се движи
около Слънцето, то ние намирайки се на Земята, ще чувстваме
последователно увеличение и намаление на потока от WIMP с период от
една година.
WIMP-частиците по определение много слабо
взаимодействат с обикновеното вещество, затова повечето от тях свободно
преминават през Земята. Много рядко, обаче, някои WIMP-частици се
сблъскват с атомните ядра, предават им част от импулса си, и при това
избиват електрони, предизвиквайки светлинни проблясвания (сцинтилации).
Честотата на тези сблъсквания зависи от количеството на прелитащите
през Земята WIMP-частици, като при движението на Земята през
галактическото хало тя периодично ще се увеличава и намалява..
Движението на Слънцето през галактичното хало и движението на Земята около Слънцето водят до това, че на 2 юни скоростта на Земята спрямо халото е максимална, на 2 декември е минимална (илюстрация от доклада на авторите на експеримента по време на конференцията NO-VE от 16 април 2008 год.)
Именно такива годишни изменения на честотата на светлинните сцинтилации в екраниран детектор дълбоко под земята търсят участниците в проекта DAMA вече повече от 10 години. Проектът е съставен от няколко паралелно протичащи експеримента, и в един от тях - DAMA/NaI, действително са открити такива периодични изменения. Съобщението на участниците в експеримента от 2000 година, че са регистрирали пряко детектиране на WIMP-частици, беше прието от научната общност с голям скептицизъм – систематичната грешка беше голяма, а и интерпретацията на данните се стори на много от учените прибързана.
Експериментът DAMA/NaI беше модифициран и стартиран през 2003 година под ново име – DAMA/LIBRA. Първите резултати от този нов експеримент бяха обнародвани съвсем наскоро на конференцията Neutrino Oscillations in Venice, а също се появиха в архива на електронните публикации: First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI (самите резултати), The DAMA/LIBRA apparatus (описанието на детектора). Новите данни напълно потвърждават по-ранните резултати, но скептицизма на критиците не намаля.
Експериментът и резултатите от него
На 100 км от Рим, дълбоко под планината Гран-Сассо (Gran Sasso) е разположена едноименната подземна лаборатория, принадлежаща на италианския Национален институт по ядрена физика (INFN). Благодарение на природното екраниране (от повърхността я отделят километър и половина планински породи!), потокът космически лъчи в нея е милион пъти по-малък отколкото на повърхността на Земята. Именно затова, тази лаборатория е идеална за провеждане на свръхчисти експерименти във физиката на елементарните частици и ядрената физика. DAMA/LIBRA е един от десетките експерименти протичащи едновременно в нея.
В експеримента DAMA/LIBRA за работно вещество е избран сцинтилатора NaI(Tl), съставен от натриев йодид (NaI) с добавки от талий (Tl), играещ ролята на активатор. Всеки сцинтилатор представлява кристална пръчка с маса около 10 кг, във вътрешността на който при сблъскване на WIMP-частицата с ядрото предизвиква светлинно проблясване.Тази светлина се улавя от фотоумножители, поставени на краищата на сцитилатора, които предават сигнала на компютър.
«Лъжливи» сигнали могат да бъдат предизвикани не само от космически лъчи, но и от радиоактивни изотопи, които се срещат в природата. За максимална изолация на детектора всеки сцинтилатор е опакован в медна кутия, а блока с тези кутии е обгърнат от многослойна изолация от радиационно чисти материали. Вътрешността на детектора се продухва с радиационно чист азот, а фоновата концентрация на най-трудно откриваемите изотопи (например, инертния газ радон) постоянно се контролира непосредствено до уреда. Накрая, температурата на апаратурата се поддържала постоянна с точност до хилядни части от гредуса, а чувствителността на детекторите редовно се контролирала чрез облъчване с известни радиоизотопи.
Вече в продължение на четири години експериментът DAMA/LIBRA измерва енергията и броя на сцинтилационните проблясвания във вътрешността на детектора. Средно, ежедневно се улавят по 1–2 проблясвания на килограм тегло на сцинтилаторите, разделено на килоелектронволт енергия. Тази величина остава постоянна във времето с изключение на областта на малките енергии 2–6 keV, където именно се наблюдават слабите (буквално един-два процента) годишни изменения. Ако от данните се извади постоянния сигнал и се остави само променливата съставна, то може да се построи следната графика.
Честотата
на сработване на детекторите във времето в енергетичната област 2–6
keV. Показана е само променливата съставна на сигнала, след изваждането
на постоянния фон. По хоризонталата са нанесени дните от началото на
експеримента DAMA/NaI; първата половина на графиката съдържа
резултатите от DAMA/NaI, а след прекъсването са показани данните от
новия експеримент DAMA/LIBRA. С непрекъсната линия е нанесена
синусоидална функция с период една година и максимум на 2 юни
(илюстрация от статията First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI)
Ясно
се вижда увеличението на точността на данните след модернизацията. Ако
след първите 1-2 години на експеримента DAMA/NaI все още е имало
съмнения, дали отклоненията не са случайни, то след 10 годишни цикъла
става ясно, че променливата част на сигнала с висока точност следва
синусоидалния закон с период точно 1 година и максимум на 2 юни. На
сухия език на статистиката съотношението сигнал-шум превишава 8
стандартни отклонения, т.е. вероятността тези данни да са игра на
случая е нищожно малка.
И така, експеримента показва ясна
годишна модулация на честотата на сработване на детектора, с това вече
не спорят и скептиците. Но остава главния въпрос – каква е причината за
тази модулация.?
Интерпретация на резултатите
Може
да ни се стори, че има куп естествени причини за неголеми сезонни
изменения на която и да било измеряема величина. Изолацията на много
нива и постоянния контрол на остатъчната радиоактивност, обаче, според
авторите изключва каквото и да било «земно» обяснение на наблюдаваните
по време на експеримента отклонения. Именно оттук следва техния извод –
отклоненията от средната стойност са резултат от сезонното отслабване и
усилване на «WIMP вятъра».
Може ли някой неотчетен досега
източник да доведе до подобен сигнал? Авторите казват, че не им е
известен такъв източник, или поне за цялото това време никой така и не
е предложил някакъв друг физически механизъм, удовлетворяващ всички три
критерия за отбор:
• Сигналът трябва да се изменя строго по синусоидален закон с период точно 1 година и с максимум около 2 юни;
• Сигналът трябва да се наблюдава само при ниски енергии;
• Сигналът
трябва да присъства само в еднодетекторни събития (т.е. не трябва да
има събития, при които едновременно сработват два и повече кристала).
Всички
други известни източници биха нарушили някое от тези условия. Ако в
лабораторията, да кажем, е достигнал поток космически лъчи, предизвикал
задействане на детекторите, той би породил забележими изменения както
при ниските, така и при високите енергии.
Какво тогава не им
харесва на скептиците? Работата е в това, че подобни експерименти са
правени и в други лаборатории по света, но нито в една не са
регистрирани годишни изменения. Вярно е, че едни експерименти се
основават на други методики на детектиране, в други се използва не
натриев йодид, а друго вещество, трети просто не достигат
чувствителността на DAMA/LIBRA. Все пак, специалистите смятат, че ако
наистина WIMP-вятъра беше толкова силен, колкото излиза според
експеримента DAMA, то все някой от другите експерименти— например,
свръх чувствителния CDMS, обявил неотдавна отрицателен резултат, също
щеше да забележи частици тъмна материя.
Какво може да се направи
в дадената ситуация? Преди всичко, трябва да се проведе независим
експеримент в друга лаборатория, но със същия сцинтилатор и в същите
условия. Второ, добре ще е да се фиксира не само факта на
взаимодействие на WIMP с ядрото, но и да се определи посоката от която
е дошъл (виж., например, последните резултати
на японския детектор NEWAGE). Ако се окаже, че предпочитаното
направление на пристигане на частиците съвпада с посоката на движение
на Слънцето около галактичното ядро, това ще бъде важен аргумент в
полза на WIMP-
интерпретацията на сигнала— нали никакви земни явления не «усещат» тази
посока! Трето, ако многократно се повиши чувствителността на
детекторите, ще могат да се улавят и денонощните изменения на честотата
на сцинтилациите (нали Земята освен всичко друго и се върти около оста
си.). Ако тези измервания се окажат в нужната амплитуда и фаза, то това
ще стане ключов аргумент, потвъпждаващ WIMP-частиците
Автор: Игор Иванов за сп. Элементы большой науки
Превод: Г.Станчев
Оригинал: Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи