På området för mörk materielforskning, som i en porslinbutik, finns det en elefant: ett påstående som är svårt att tro, omöjligt att bekräfta och förvånande svårt att förklara. Men nu har vi fyra instrument med samma typ av detektor som samarbetet som äger denna kontroversiella påstående. Under de kommande tre åren kommer dessa experiment antingen att bekräfta förekomsten av mörk materia eller motbevisa påståendet en gång för alla, säger fysikerna som arbetar med dem.
"Allt fungerar", säger Frank Kalaprice från Princeton University i New Jersey, som leder ett av experimenten.
Det första tillkännagivandet gjordes av DAMA-samarbetet, vars detektor är belägen i ett laboratorium djupt under bergskedjan Gran Sasso öster om Rom. För över ett decennium sedan tillhandahöll hon fantastiska bevis för mörk materia, ett osynligt ämne som tros binda galaxer tillsammans genom dess gravitationella drag. Den första av de nya detektorerna kommer att starta i Sydkorea på bara några veckor. Resten kommer att lanseras under de närmaste åren i Spanien, Australien och Gran Sasso. Alla kommer att använda natriumjodidkristaller för att söka efter mörkt material, vilket inget storskaligt experiment har gjort, utom för DAMA.
Forskare är mycket säkra på att det finns mörk material och att den är minst fem gånger större än normal materia. Men dess natur förblir mystisk. Den ledande hypotesen är att åtminstone en del av dess massa består av svagt samverkande partiklar (WIMP) som ibland måste kollidera med atomkärnor på jorden.
Natriumjodidkristaller bör avge en ljusblink om detta händer i detektorn. Även om naturlig radioaktivitet också producerar sådana fakkel, tillkännagav DAMA upptäckten av WIMPs redan 1998, med hänvisning till det faktum att antalet blossor som producerats per dag fluktuerade med årstiderna.
Det här är vad man kan förvänta sig om signalen genereras av WIMP: er som spills på jorden när solsystemet rör sig genom mjölkvägets mörka materie. I det här fallet bör antalet partiklar som korsar jorden toppa när planetens rörelse rör sig i linje med solens rörelse, i början av juni, och minska när rörelsen går mot solen, i början av december.
Men det finns ett stort problem. "Om det var riktigt mörk materia, skulle många andra experiment ha sett det nu," säger Thomas Schwetz-Mangold, en teoretisk fysiker vid Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland - och ingen har sett det ännu. Men samtidigt har alla försök att hitta svagheter i DAMA-experimentet, inklusive miljöeffekter, som forskare inte beaktade, inte varit framgångsrika. "Det finns en moduleringssignal," säger Kaijuan Ni från University of California, San Diego, som arbetar med XENON1T-mörka-experimentet. "Men hur man kan tolka denna signal - till förmån för mörk materia eller något annat - är inte klart."
Inga andra fullskaliga experiment använde natriumjodid i dess detektor, även om KIMS i Sydkorea använde cesiumjodid. Därför kvarstår möjligheten att mörk materia interagerar med natrium på något sätt annorlunda än med andra element. "Tills någon avfyrar en detektor på samma element som lämnade antydan, kan du inte vara säker på någonting," säger Juan Collar från University of Chicago i Illinois, som har arbetat med flera mörka materialexperiment.
Kampanjvideo:
Många har mött svårigheten att odla natriumjodidkristaller med den erforderliga renheten. Kaliumföroreningar, som har en naturligt förekommande radioaktiv isotop, sticker också ut.
Men tre team av forskare - KIMS, DM-Ice från Yale University i New Haven och ANAIS från University of Zaragoza i Spanien - lyckades få kristaller med en bakgrundsnivå av radioaktivitet som halva DAMA. Det är tillräckligt rent för att testa hennes resultat, säger forskare.
Forskare från KIMS och DM-Ice har byggt en natriumjodiddetektor i samband med Yangyangs underjordiska laboratorium, 160 kilometer öster om Seoul. Verktyget använder en "aktiv veto" -sensor som bättre skiljer mörk materia från bakgrundsljud än DAMA, säger Yengduk Kim, chef för Sydkoreas Center for Underground Physics i Daejeon, som driver KIMS.
ANAIS bygger en liknande detektor vid tunnelbanelaboratoriet Canfranc i de spanska Pyrenéerna. Tillsammans kommer KIMS, DM-Ice och ANAIS att överföra 200 kg natriumjodid och utbyta data. Jämfört med de 250 kilo som DAMA hade, räknar forskarna med att fånga ett liknande antal WIMP. Och även om de nya detektorerna kommer att ha högre nivåer av bakgrundsljud, kommer de att kunna antingen förfalska eller återge den starkaste DAMA-signalen, säger Reina Maruyama från Yale University, som driver DM-Ice.
Men Kalapris hävdar att hög renhet är viktigare än massa. Tillsammans med kollegor utvecklade han ett sätt att minska föroreningar och tillkännagav i januari mottagandet av kristaller som är renare än DAMA-kristaller. Han hoppas kunna sänka bakgrundsnivån ytterligare, ner till en tiondel av DAMA.
Hans SABER-projekt (Active Background Rejection Sodium Iodide) kommer att hysa en detektor i Gran Sasso och en annan i Stowell Underground Physics Laboratory, som byggs i en guldgruva i Victoria, Australien. SABER kommer att använda en detektor som skiljer mörkmaterialsignalen från bruset och kommer att väga cirka 50 kg.
SABER kommer att slutföra sin forskning och utveckling inom ungefär ett år och börja bygga sina detektorer kort därefter, säger Kalapris. Då kommer tekniken att bli tillgänglig för andra laboratorier - något DAMA inte gjorde. Och om du har två identiska detektorer i norra och södra halvkärnan, kan du förstå om miljöeffekter kan förfalska säsongsmässigheten av mörk materia i DAMA-resultaten - om signalen kom från WIMP: er, kommer båda detektorerna att se toppar samtidigt.
DAMA är mycket säker på sina resultat, säger Rita Bernabei från universitetet i Rom. Hon är inte särskilt upphetsad över den kommande lanseringen av natriumjodiddetektorer. "Våra resultat har validerats många gånger under 14 år, så vi har ingen anledning att se fram emot att se vad andra kommer att göra," säger hon. Om andra experiment inte ser de årliga moduleringarna kommer samarbetet helt enkelt att bestämma att de inte var tillräckligt känsliga.
Men vad händer om DAMA-forskarna har rätt? "Till att börja med ville jag inte tro DAMA-resultaten, jag tog dem inte ens på allvar," säger Katherine Freese, en astropartikelteoretiker vid University of Michigan i Ann Arbor som föreslog DAMAs säsongsmoduleringsmetod. Men eftersom ingen annan förklaring till deras signal hittades, blev hon lugnad. "Ju mer en person studerar sitt experiment, desto mer inser han hur väl det görs."
Ilya Khel
