Új kísérlet vizsgálja a vitatott sötét anyag jeleket

A tisztaszobában: Karoline Schäffner és csapata befejezi a munkát a kriosztátonál. (Fotó: COSINUS Kollaboráció)

A COSINUS-kísérlet szchema felépítése (rajz: COSINUS Kollaboráció) / A COSINUS-kísérlet felállítása (rajz: COSINUS Kollaboráció)

Egy tudósokból és technikusokból álló csapat a kriosztát telepítése közben. (Fotó: COSINUS Kollaboráció) / Egy tudósokból és technikusokból álló csapat telepíti a kriosztátot. (Fotó: COSINUS Kollaboráció)

A Detektor: Egy nátrium-jodid kristály - ugyanaz az anyag, mint a DAMA/LIBRA-kísérletben. (Fotó: COSINUS Kollaboráció) / A detektor: Egy nátrium-jodid kristály - ugyanaz az anyag, mint a DAMA/LIBRA-kísérletben. (Fotó: COSINUS Kollaboráció)

2024. április 18-án Olaszországban megnyílt egy nagy kísérlet a sötét anyag kimutatására. A COSINUS egy nemzetközi kutatási projekt, amelyben a Max-Planck-Institut für Physik (MPP) csapata is részt vesz.

A sötét anyag természete mindmáig a modern fizika egyik nagy kérdése. A jelenlegi tudás szerint a láthatatlan sötét anyag az univerzum össztömegének 85 százalékát teszi ki. Az olaszországi Gran Sasso földalatti laboratóriumban (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) ma üzembe helyezik a COSINUS* kísérletet. A kutatási projekt célja annak ellenőrzése, hogy egy másik kísérlet (DAMA/LIBRA) valóban jeleket mutatott-e a sötét anyagból – vagy sem. A COSINUS a Bécsi Műszaki Egyetem, az ÖAV Nagyenergiás Fizikai Intézete, az Olasz Nemzeti Nukleáris Fizikai Intézet (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), a Helsinki Fizikai Intézet (Finnország) és a MPP együttműködése.

A COSINUS projekthez egy speciális eszközt fejlesztettek ki. Ennek során egy kristályt extrém alacsony hőmérsékletre hűtenek, hogy a részecskék energiáját nagy pontossággal mérhessék. Ha a sötét anyag eddig ismeretlen részecskékből áll, akkor a Földnek az űrben való haladása során ezekkel a részecskékkel kell ütköznie. Ezek az ütközések a mérőeszközben kimutathatók lennének.

A DAMA/LIBRA kísérlet olyan adatokat gyűjtött, amelyek összhangban állnak ezzel a feltevéssel, azonban vitatottak, mivel más kísérlet eddig nem erősítette meg ezeket az eredményeket.

Átmegy-e a Föld egy sötét anyag ködén?

Ha valóban kimutatható lenne a sötét anyag, a mérések az év során változnának. Miért? A Nap és az összes bolygó – így a Föld is – körülbelül 220 kilométer per másodperc sebességgel mozog a Tejút centrumához képest. A Föld pedig körülbelül 30 kilométer per másodperc sebességgel kering a Nap körül, egy teljes fordulatot egy év alatt tesz meg. Fél évig a Föld ugyanabba az irányba halad, mint a Nap, a másik fél évben pedig ellenkező irányba.

„Ha a galaxisunkat sötét anyag részecskéi szövik át, akkor a Föld néha gyorsabban, néha lassabban haladna át ezen a „ködön” – magyarázza a MPP tudósa, Karoline Schäffner, a COSINUS műszaki vezetője. „Ez olyan, mint egy autózás esőben: minél gyorsabban haladunk, annál több esőcsepp csapódik az ablaktörlőbe. Várható, hogy különböző időpontokban különböző mennyiségű sötét anyagot érzékelünk.”

Ezt igazolta a 1995 óta futó DAMA/LIBRA kísérlet is: valóban észleltek egy jelet, amely az év során rendszeresen változott – ez a sötét anyagra utal. Azonban más kísérletek nem tudták ezeket az eredményeket megismételni.

A más kísérletek által hiányolt bizonyítékok évek óta foglalkoztatják a nemzetközi kutatóközösséget. „Új projektünkkel lehetőség nyílik ennek a rejtélynek a megoldására” – mondja Karoline Schäffner. „Nátrium-jodid detektort használunk, ugyanazt az anyagot, mint a DAMA/LIBRA, hogy összehasonlítsuk az eredményeket. Azonban a kísérleti felállásunk sokkal nagyobb pontosságot fog elérni.”

Hő és fény

A DAMA/LIBRA kísérletben csak a fényt mérik, nem a hőt. Már két másik kísérlet is folyamatban van, melyek célja, hogy reprodukálják a DAMA/LIBRA eredményeit. Mindkettő csak fényt rögzít – ellentétben a COSINUS-szal, amely két különböző jelet is képes érzékelni.

A COSINUS központi eleme egy kriosztát – egyfajta hűtőberendezés extrém alacsony hőmérsékletekhez –, amelyben egy nátrium-jodid kristályt 1-2 század fokkal a nullafok (-273 Celsius-fok) fölött tartanak. Ha ezt a kristályt sötét anyag részecskéi találják el, két reakció indul be a detektorban: Először a kristály atomjai rezgésbe jönnek – a kristálygyűrű elindul ingadozni, és felmelegszik. Ez a hőenergia mérhető rendkívül pontosan. Másodszor a kristályban fény keletkezik, amit a COSINUS szintén „látni” tud.

Ismeretlen vagy ismert részecskék?

A két jel vizsgálata további információkat ad arról, hogy milyen részecskékről lehet szó. „Ez fontos, mert nem minden jel, amit egy ilyen detektorban mérünk, utal a sötét anyagra” – magyarázza Karoline Schäffner. „Például lehetnek egyszerű elektronok, amelyek természetes radioaktivitásból származnak. Vagy neutronok, amelyeket kozmikus részecskék okoznak.”

A sötét anyag jeleinek felfedezéséhez a kutatóknak a kristályt a lehető leghatékonyabban kell elzárniuk minden háttérzajtól. Ezért a kísérlet egy hegyvidéki helyen, a világ legnagyobb földalatti laboratóriumában, az INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso-ban (INFN-LNGS, Olaszország), mintegy száz kilométer Rómától, található. A 1400 méter vastag kőzet alatt egy alagútrendszer sok érzékeny kísérlet számára ad helyet – többek között a DAMA/LIBRA kísérlet is ott van. Emellett a detektorokat egy hét méter magas tartályban, magas tisztaságú vízben helyezik el.

A COSINUS projekt 2024. április 18-án nyílik meg az INFN-LNGS-ben. Az első eredmények várhatóan 2025/26-ban lesznek.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches