Открити са частици тъмна материя, слабо взаимозействащи с веществото

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.
 
Дизайн :